fizikzauglom

เกรด 8 · การเปลี่ยนแปลงสถานะของการรวมกลุ่ม

การเดือดและการกลายเป็นไอ

อุณหภูมิเดือด ความดัน และความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ

22 นาที5 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

น้ำระเหยอยู่แล้วก่อนให้ความร้อน เมื่อฟองไอเริ่มเติบโตในหม้อ มีกระบวนการใหม่อะไรเกิดขึ้น? เหตุใดบนภูเขาจึงเริ่มที่อุณหภูมิต่ำกว่า?

ไอเกิดใต้ผิวของเหลวQน้ำดันจากภายนอกฟองต้องต้านความดันนี้ได้
ขณะเดือด ไอเกิดเป็นฟองภายในของเหลว ลูกศรสีน้ำเงินแสดงการลอยขึ้น ลูกศรสีแดงด้านขวาชี้จากน้ำรอบข้างเข้าหาขอบฟอง ความดันภายในต้องต้านความดันเฉพาะบริเวณนี้ ด้านล่างแสดงพลังงานที่เข้าสู่น้ำ

ไอภายในของเหลว

ในการระเหยทั่วไป โมเลกุลออกจากผิวด้านบนของน้ำ ขณะเดือด ไอยังเกิดภายในของเหลวเป็นฟองที่เติบโต แต่ละฟองมีขอบเขตระหว่างของเหลวกับไอของตนเอง การเดือดคือการกลายเป็นไอที่มีฟองไอเกิดขึ้นและเติบโตภายในเนื้อของเหลว ฟองเล็กของอากาศที่ละลายอยู่สามารถปรากฏก่อนเดือดได้ ดังนั้นการเห็นฟองเพียงอย่างเดียวจึงยังยืนยันไม่ได้ว่าเดือด

ความร้อนที่จ่าย: Q = Lm
ขณะเดือด ฟองไอเติบโตภายในของเหลวและลอยขึ้น ที่ความดันภายนอกคงตัว อุณหภูมิของของเหลวบริสุทธิ์ที่กำลังเดือดไม่เพิ่มขึ้น

ฟองเติบโตได้เมื่อใด?

น้ำรอบข้างบีบอัดฟอง เพื่อให้ฟองเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความดันภายในต้องต้านการบีบอัดนี้ได้ ความดันไออิ่มตัวเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ การให้ความร้อนจึงทำให้ฟองเติบโตได้ ในแบบจำลองอย่างง่ายของภาชนะตื้น การเดือดเริ่มเมื่อความดันไอเท่ากับความดันเหนือของเหลว ที่ระดับลึกลงไปยังมีความดันจากคอลัมน์น้ำเพิ่ม และสำหรับฟองเล็กมาก แรงตึงผิวมีความสำคัญ

เย็นกว่าร้อนกว่าความดันไอต่ำเกินไปความดันเพียงพอฟองเติบโตอุณหภูมิสูงขึ้น ความดันไอสูงขึ้น
บริเวณน้ำสองแห่งที่ความดันภายนอกเฉพาะบริเวณเท่ากัน ในน้ำที่เย็นกว่า ความดันไอไม่พอ ฟองจึงหดตัว ส่วนน้ำที่ร้อนกว่าฟองอาจเติบโตได้ ลูกศรแสดงการเคลื่อนที่ของขอบฟอง โดยเริ่มหรือจบที่ขอบ แบบจำลองง่ายนี้ละเลยความดันที่เพิ่มจากแรงตึงผิวและความลึก

เหตุใดบนภูเขาจึงต่างออกไป

ลองคาดการณ์: หากลดความดันเหนือน้ำ ต้องให้ความร้อนเท่าเดิมหรือไม่? ไม่ต้อง เพราะไอสามารถรักษาฟองไว้ได้ที่ความดันต่ำลง จึงใช้อุณหภูมิต่ำลงด้วย บนภูเขาน้ำจึงเดือดต่ำกว่า 100 °C ส่วนในหม้ออัดความดันที่มีความดันสูงขึ้น น้ำเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า การเดือดไม่ได้มีอุณหภูมิเดียวในทุกเงื่อนไข ค่าประมาณ 100 °C ใช้กับน้ำบริสุทธิ์ที่ความดันบรรยากาศทั่วไป

อุณหภูมิเดือดของน้ำp < p₀p ≈ p₀p > p₀ภูเขาระดับทะเลหม้ออัดความดัน< 100 °C≈ 100 °C> 100 °Cเทียบกับความดันปกติ p₀
สำหรับน้ำบริสุทธิ์ ความดันเหนือของเหลวบนภูเขาต่ำกว่าค่าปกติ ที่ระดับทะเลใกล้เคียงค่าปกติ และในหม้ออัดความดันที่กำลังทำงานสูงกว่าค่าปกติ อุณหภูมิเดือดจึงต่ำกว่า ใกล้เคียง และสูงกว่า 100 °C ตามลำดับ p₀ หมายถึงความดันบรรยากาศปกติ ไม่ใช่ความดันไอที่ทุกอุณหภูมิ

พลังงานสำหรับการเปลี่ยนสถานะ

หลังเริ่มเดือด เครื่องให้ความร้อนยังส่งพลังงานต่อไป พลังงานนี้ใช้แยกอนุภาคของเหลวและเพิ่มปริมาตรของสารโดยดันสิ่งแวดล้อมออก ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ L คือพลังงานที่ใช้เปลี่ยนของเหลว 1 kg เป็นไอที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะที่กำหนด มีหน่วย J/kg ค่า L มากหมายถึงต้องใช้พลังงานมากขึ้นสำหรับมวลเท่ากัน เมื่อเงื่อนไขการเดือดเปลี่ยน ค่า L ก็อาจเปลี่ยนด้วย

น้ำที่ความดันบรรยากาศน้ำ 1 кг≈ 100 °C≈ 2,3 МДжไอ 1 кг≈ 100 °CL: พลังงานต่อ 1 кг หน่วย Дж/кг
ที่ความดันบรรยากาศ น้ำ 1 kg ที่ประมาณ 100 °C เปลี่ยนเป็นไอ 1 kg ที่อุณหภูมิเดิม เมื่อใช้ค่าปัดเศษ L ≈ 2,3 МДж/кг ต้องใช้พลังงานประมาณ 2.3 MJ โมเลกุลยังคงเดิม พลังงานใช้เอาชนะแรงดึงดูดและทำให้ขยายตัว จุดเหมือนกันแทนโมเลกุล ปริมาตรไม่ได้วาดตามมาตราส่วน

คิดจากมวลที่กลายเป็นไอ

สำหรับของเหลวที่อยู่ที่อุณหภูมิเดือดแล้ว ทุกกิโลกรัมที่กลายเป็นไอต้องใช้พลังงาน L จูล: Q = Lm เมื่อมวลไอเป็นสองเท่า Q ก็เป็นสองเท่า ส่วนมวลครึ่งหนึ่งใช้พลังงานครึ่งหนึ่ง หากขั้นตอนนั้นไม่มีไอเกิดขึ้น ส่วนพลังงาน Lm จะเป็นศูนย์ ที่ความดันคงตัว ของเหลวบริสุทธิ์ที่กำลังเดือดมีอุณหภูมิเกือบคงเดิม การเพิ่มอัตราจ่ายพลังงานจึงเร่งการเกิดไอเป็นหลัก จนของเหลวเดือดหมด

Q = L · mเดือดมวล mกลายเป็นไออุณหภูมิคงตัวจนน้ำเดือดหมด
คูณความร้อนแฝงจำเพาะด้วยมวลที่กลายเป็นไอ ขณะที่ของเหลวเดือดที่ความดันคงตัว อุณหภูมิจะเกือบคงตัว

กลับเป็นของเหลว

การเปลี่ยนกลับเกิดอะไรขึ้น? เมื่อไอควบแน่นเป็นของเหลวภายใต้เงื่อนไขเดิม จะให้พลังงานออกมาขนาด Lm ซึ่งเป็นพลังงานเปลี่ยนสถานะที่ก่อนหน้านี้ต้องจ่ายเข้า หากของเหลวที่ได้เย็นลงต่อ จะให้พลังงานเพิ่มตาม cmΔT โดยมีเครื่องหมายลบสำหรับของเหลว อย่ารวมสองขั้นตอนนี้ไว้ในสูตรเดียว การควบแน่นเปลี่ยนสถานะ ส่วนการเย็นลงภายหลังเปลี่ยนอุณหภูมิ

ไอของเหลวเย็นกว่าTкипTкипT < Tкипมวล m คงเดิมQ₁ = −LmQ₂ = cmΔTเมื่อเย็นลง ΔT < 0
มวล m เดิมควบแน่นที่อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะก่อน โดยให้ Q₁ = −Lm จากนั้นของเหลวที่ได้อาจเย็นลงตาม Q₂ = cmΔT ลูกศรสีเทาเชื่อมสถานะ ในขั้นแรก ขนาดพลังงานเท่ากับการกลายเป็นไอในทิศกลับ ส่วนขั้นที่สอง ΔT เป็นลบ ปริมาตรไอกับน้ำไม่ได้วาดตามมาตราส่วน

อุณหภูมิเริ่มต้นมีความสำคัญ

เริ่มจากน้ำเย็นและต้องการให้น้ำเพียงบางส่วนกลายเป็นไอ ก่อนอื่นน้ำทั้งหมดที่ถูกทำให้ร้อนรับพลังงาน cmΔT จากนั้นใช้พลังงาน Lm กับมวลที่กลายเป็นไอจริง นำพลังงานสองส่วนมาบวกกัน หากน้ำทั้งหมดกลายเป็นไอ มวลในทั้งสองขั้นตอนจะเท่ากัน หากพลังงานบางส่วนไปสู่ภาชนะและอากาศ แหล่งพลังงานต้องจ่ายมากขึ้น จะละเลยการสูญเสียนี้ได้เฉพาะในแบบจำลองที่โจทย์ยอมรับเท่านั้น

สองขั้นตอนต่อเนื่องจาก Tнач ถึง TкипQ₁ = cmвΔTน้ำ → ไอQ₂ = LmпQ = Q₁ + Q₂mв: น้ำทั้งหมด; mп: มวลไอ
ก่อนอื่นเพิ่มอุณหภูมิน้ำทั้งหมดมวล mв จาก Tнач ถึง Tкип แล้วเปลี่ยนมวล mп เป็นไอที่ความดันเดิม นำพลังงานมาบวกกัน หากน้ำเพียงบางส่วนกลายเป็นไอ mп จะน้อยกว่า mв มวลในสองสูตรจึงอาจต่างกัน คิดการสูญเสียตามเงื่อนไขโจทย์

ไอหนึ่งส่วน

ต้องการเปลี่ยนน้ำ 0.2 kg ที่อุณหภูมิเดือดเป็นไอ โดย L = 2,3 МДж/кг จงหาความร้อนที่ต้องใช้

L = 2,3 МДж/кгน้ำ, 0,2 кгไอ, 0,2 кгTкипTкипหาความร้อนเปลี่ยนสถานะ Q
น้ำเริ่มต้น 0.2 kg อยู่ที่อุณหภูมิเดือดแล้วและต้องเปลี่ยนทั้งหมดเป็นไอ กำหนด L = 2,3 МДж/кг ต้องหาความร้อนของการเปลี่ยนสถานะเท่านั้น ด้านซ้ายเป็นสถานะเริ่มต้น ด้านขวาเป็นสถานะสุดท้ายที่ต้องการ ไม่ได้กำหนดค่าอุณหภูมิเป็นตัวเลข ปริมาตรเป็นภาพแผน และจุดด้านขวาแทนโมเลกุลไอ

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1

น้ำอยู่ที่อุณหภูมิเดือดแล้ว จึงต้องใช้พลังงานเฉพาะเพื่อเปลี่ยนของเหลว 0.2 kg เป็นไอ โดยไม่ต้องเพิ่มอุณหภูมิก่อน

L = 2,3 МДж/кгน้ำ, 0,2 кгไอ, 0,2 кгTкипTкипไม่ต้องเพิ่มอุณหภูมิถึงจุดเดือดเปลี่ยนสถานะ: Q = Lm
คงสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของมวล 0.2 kg และค่า L ที่กำหนด น้ำอยู่ที่ Tкип แล้ว จึงไม่ต้องเพิ่มอุณหภูมิไปถึงค่านี้อีก คำนวณเฉพาะการเปลี่ยนเป็นไอด้วย Q = Lm

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2

Q = Lm = 2,3·0,2 = 0,46 МДж = 460 кДж ตรวจสอบหน่วย: МДж/кг · кг = МДж

L = 2,3 МДж/кгน้ำ, 0,2 кгไอ, 0,2 кгTкипTкипQ = Lm2,3 · 0,2 = 0,46 МДжQ = 460 кДж
ในภาพเดิม สำหรับมวล 0.2 kg และ L = 2,3 МДж/кг ได้ Q = 0,46 МДж หน่วยกิโลกรัมตัดกัน และ 0.46 MJ เท่ากับ 460 kJ มวลและอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะทั้งสองด้านคงเดิม

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3

มวลเป็นหนึ่งในห้าของกิโลกรัม พลังงานจึงเป็นหนึ่งในห้าของ 2.3 MJ อุณหภูมิคงตัวไม่ได้ขัดกับการรับพลังงานนี้ เพราะสถานะและปริมาตรของน้ำเปลี่ยนไป

L = 2,3 МДж/кгน้ำ, 0,2 кгไอ, 0,2 кгTкипTкип460 кДжขณะเดือด T ≈ const และ p = constพลังงานใช้เปลี่ยนเป็นไอ
น้ำเดิม 0.2 kg เปลี่ยนเป็นไอ 0.2 kg หลังรับพลังงานเปลี่ยนสถานะ 460 kJ ที่ความดันคงตัว สารบริสุทธิ์มีอุณหภูมิใกล้ Tкип ระหว่างเดือด สถานะด้านขวาคือไอทันทีที่เปลี่ยนสถานะเสร็จ โดยไม่มีการเพิ่มอุณหภูมิไอต่อจากนั้น

ตรวจสอบผลลัพธ์

460 kJ พลังงานนี้เปลี่ยนน้ำที่กำลังเดือดปริมาณที่กำหนดให้เป็นไอภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ

ใจความสำคัญ · 1

ฟองไอเติบโตเมื่อความดันภายในต้านความดันรอบข้างได้

ใจความสำคัญ · 2

อุณหภูมิเดือดขึ้นอยู่กับความดัน ดังนั้นค่า 100 °C จึงใช้กับเงื่อนไขเฉพาะ

ใจความสำคัญ · 3

Q = Lm ให้พลังงานที่ใช้เปลี่ยนมวลที่ต้องการเป็นไอ ต้องคิดการเพิ่มอุณหภูมิก่อนหน้าและการสูญเสียแยกต่างหาก

บทเรียนถัดไป

ไอที่ขยายตัวสามารถดันลูกสูบหรือใบพัดได้ บทเรียนถัดไปจะเชื่อมกระบวนการทางความร้อนกับงานเชิงกล

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

การเดือด

การกลายเป็นไออย่างรวดเร็วทั่วปริมาตรของเหลว โดยมีฟองไอเกิดขึ้นและเติบโตภายใน

การเดือดจะเริ่มขึ้นเมื่อความดันไออิ่มตัวเท่ากับความดันภายนอก

ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ

พลังงานที่ใช้เปลี่ยนของเหลวหนึ่งหน่วยมวลให้เป็นไอที่อุณหภูมิเดือด

เมื่อไอมวลเท่ากันควบแน่น จะให้พลังงานที่มีขนาดเท่ากันออกมา

จุดเดือดและความดัน

จุดเดือดจะลดลงเมื่อความดันภายนอกลดลงและเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มขึ้น

บนภูเขาสูง น้ำเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่าหนึ่งร้อยองศา ส่วนในหม้ออัดความดัน ความดันที่สูงขึ้นทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้นได้ก่อนเดือด

ปริมาณทางฟิสิกส์

1 คุณค่า

ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ

L

พลังงานที่ใช้เปลี่ยนของเหลวหนึ่งหน่วยมวลให้เป็นไอขณะเดือด

หน่วย: จูลต่อกิโลกรัม · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

Q = Lm

ขณะเดือด ความร้อนที่ต้องใช้เท่ากับความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอคูณด้วยมวลของเหลวที่กลายเป็นไอ

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ