Кипение жидкости - МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Цель: объяснить процесс кипения на основе молекулярно-кинетической теории.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания. Повторение изученного

1. Какими способами из ненасыщенного пара можно получить насыщенный?

2. Почему давление насыщенного пара при определенной температуре является максимальным давлением, которое может иметь пар при этой температуре?

3. Почему давление насыщенного пара быстрее растет при увеличении температуры, чем давление идеального газа?

4. Сформулируйте определение относительной влажности воздуха.

5. Прочему жару значительно труднее переносить при высокой влажности воздуха?

II. Лабораторная работа «Измерение относительной влажности воздуха при помощи термометра»

Приборы и материалы: 1) термометр лабораторный от 0 до 100 °С; 2) кусочек марли или ваты; 3) стакан низкий с водой комнатной температуры; 4) таблица психрометрическая.

Ход работы

1. Измерьте температуру воздуха в классе. Результат измерения запишите в тетрадь.

2. Смочите кусочек марли или ваты водой и оберните им резервуар термометра. Подержите влажный термометр некоторое время в воздухе. Как только понижение температуры прекратится, запишите его показания.

3. Найдите разность температур «сухого» и влажного» термометров и с помощью психрометрической таблицы определите относительную влажность воздуха в классе.

4. Результаты измерений и вычислений запишите в тетрадь.

5. Ответьте на вопросы:

- Почему температура «влажного» термометра ниже, чем «сухого»?

- От чего зависит разность температур обоих термометров?

- В каком случае температура «влажного» термометра будет равна температуре «сухого»?

- Как зависит разность температур обоих термометров от давления водяного пара в воздухе? Почему?

III. Изучение нового материала

Эксперимент

В колбу наливается 100 см³ воды комнатной температуры, вставляется термометр, который должен находиться в середине объема, занимаемого водой.

На доске записываются вопросы:

1. Какие явления наблюдаются в нагреваемой жидкости?

2. Выяснить, при какой температуре закипит вода и какие наблюдаются явления в процессе кипения.

3. Изменяется ли температура кипения?

В стеклянной колбе, в которую налили воду, стенки и дно покроются пузырьками. Это воздух, растворенный в воде. При увеличении температуры пузырьки, заполненные воздухом и паром, увеличиваются в размерах и становятся многочисленнее.

Когда пузырек станет достаточно большим, действующая на него архимедова сила со стороны воды заставит его оторваться. Поднимающийся пузырек, попадая в верхние, более холодные, слои воды, уменьшается в размере, так как содержащийся в нем пар конденсируется, давление падает и пузырек захлопывается. Наконец, когда вода достаточно нагреется, поднимающиеся пузырьки достигают поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство.

Кипение - это переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости или на поверхности сосуда.

Термометр все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру (около 100 °С). Эта температура не изменится, пока вся вода не выкипит.

Если термометр поместить в пар над водой, то он будет показывать ту же температуру, что и термометр в жидкости во время всего процесса кипения.

Значит, кипение происходит при такой температуре, когда давление насыщенных паров сравнивается с давлением внутри жидкости.

Температура кипения жидкости зависит от внешнего давления.

Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. Так, в паровом котле при давлении 1,6 · 10⁶ Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м давление приблизительно 4 · 10⁴ Па. Вода кипит примерно при 70 °С. Сварить мясо в таких условиях невозможно. У каждой жидкости своя температура кипения.

Различие температур кипения веществ широко применяется в технике. При нагревании нефти раньше всего испаряются наиболее ценные, летучие ее части (бензин), которые таким образом отделяют от «тяжелых» остатков (масел, мазута).

Дополнительный материал

В начале пятидесятых годов нынешнего столетия молодой сотрудник Мичиганского университета (США) Дональд Глейзер придумал новый тип прибора, регистрирующего элементарные частицы. Он получил название пузырьковой камеры.

Основная часть модели камеры - стеклянная колба с эфиром объемом несколько кубических сантиметров. Жидкость нагревается и находится под давлением около 20 атм. Специальное устройство позволяет быстро сбрасывать давление. Если во время «ожидания» пролетала заряженная частица, то вдоль следа появлялись пузырьки пара. Сфотографировав след, можно было снова повысить давление, пузырьки исчезали - и прибор снова в работе.

Почему пузырьки появлялись именно на пути частицы?

Возьмем две пробирки. Одну из них вымоем особенно тщательно, проследим, чтобы на стенках не было царапин или посторонних частиц, и наполним ее дистиллированной водой (приблизительно 10 см³). Во вторую пробирку нальем такое же количество, но водопроводной воды и еще бросим кусочек мела. Будем подогревать пробирки в одинаковых условиях и при отсутствии прямого соприкосновения с огнем. Оказывается, вода в них будет кипеть по-разному.

В пробирке с водопроводной водой кипение начнется раньше, и процесс этот будет происходить достаточно спокойно и непрерывно. Пузырьки пара образуются в основном на кусочке мела. Что касается пробирки с дистиллированной водой, то процесс кипения в ней начнется позже (при большой температуре) и будет происходить неравномерно. В жидкости образуются большие пузырьки, их появление и схлопывание сопровождается громким треском.

В лаборатории удается очистить сосуд и воду (используется дважды дистиллированная вода) так хорошо, что кипение не наступает вплоть до температуры 140 °С. Если в такую воду, ее называют перегретой, бросить крупинку, произойдет взрыв - так быстро образуются пузырьки с паром. Химики хорошо знают это свойство жидкости. Для того чтобы процесс кипения происходил равномерно, без взрыва, в сосуд помещают так называемые «кипелки» - обломки стеклянных или фарфоровых трубок, кусочки мрамора и т. п.

Объяснение описанных выше свойств связано с наличием у жидкости поверхностного натяжения. Поверхность жидкости можно представить себе как растянутую упругую пленку. Пленка стремится сжаться - силы поверхностного натяжения стремятся раздавить образовавшийся пузырек. Дополнительное давление, обусловленное этими силами, тем больше, чем меньше радиус пузырька, так что процесс кипения подавляется в самом зародыше. Именно поэтому однородную жидкость удается перегревать. В то же время любые неоднородности как в самой жидкости, так и связанные с посторонними включениями облегчают кипение. Такие неоднородности образуются, в частности, на пути заряженной частицы, вот почему она становится местом образования первых пузырьков. Теперь понятно, что важнейшее условие работы камеры Глейзера - это однородность эфира и чистота ампулы.

IV. Повторение изученного

1. Что называется кипением?

2. Сделав рисунок, объясните физический процесс кипения.

3. Запишите и объясните условия кипения жидкости.

4. От чего зависит температура кипения жидкости?

5. Температура жидкости во время кипения не изменяется, почему?

6. В чем заключается принцип действия скороварки?

V. Решение экспериментальных задач

1. Поставьте стакан, наполненный водой, на подставку, а второй (пустой) - на стол. Можно ли с помощью полоски сукна или другой материи перелить воду из верхнего стакана в нижний? Где подобное используется на практике?

2. В глубокую тарелку налейте воды и бросьте на поверхность 8-10 спичек. Возьмите кусок мыла, уголок которого размочите в воде другого сосуда. Затем размоченным уголком мыла коснитесь воды в центре тарелки. Спички расходятся. Почему?

Домашнее задание

П. 73, задачи на с. 191 (7).