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Type de cours : combiné.
Type de cours : apprendre du nouveau matériel.
Cible: former le concept d'ébullition en tant qu'évaporation, identifier et expliquer les caractéristiques de l'ébullition ;
Tâches :
Pédagogique:
- formation des notions d'« ébullition » et de « chaleur spécifique de vaporisation et de condensation » ;
- identification des principales caractéristiques de l'ébullition : la formation de bulles, le bruit précédant l'ébullition, la constance du point d'ébullition et la dépendance de la température d'ébullition à la pression extérieure.
- développer la capacité d’appliquer les connaissances existantes pour expliquer les phénomènes d’évaporation et d’ébullition.
Pédagogique:
- formation des compétences intellectuelles : analyser, comparer, mettre en évidence l'essentiel et tirer des conclusions ;
- développement de la pensée logique et de l’intérêt cognitif.
Pédagogique:
- développer un intérêt pour le sujet et une attitude positive envers l'apprentissage ;
- formation d'une vision scientifique du monde.
- favoriser la camaraderie et l’entraide.
Démos :
- observation des étapes d'ébullition ;
- observation de la dépendance de la température d'ébullition à la pression extérieure ;
- observation de l'ébullition à pression réduite ;
- vidéo « L'azote bouillant »
Équipement : lampe à alcool, flacon d'eau, thermomètre pour mesurer la température du liquide, trépied, bouchon pour le flacon dans lequel est inséré un tube en verre, tube en caoutchouc, seringue, pompe Komovsky, ordinateur et projecteur multimédia, présentation.
Progression de la leçon
1. Moment organisationnel.
2. Motivation.
Professeur: Les gars, je suis convaincu que chaque matinée commence par une tasse de thé chaud et bien infusé. Le thé est une boisson saine, selon la sagesse ancienne. Et vous savez bien sûr qu’avant de préparer du thé, vous devez faire bouillir de l’eau. Veuillez faire attention à l'épigraphe (diapositive 2) :
« Il y a des phénomènes qu’on ne se lasse jamais de regarder. Eau bouillante - profiter du spectacle de l'eau et du feu, du mystère de leur interaction. Cette image changeante est fascinante. À mesure que la bouilloire bout, elle se met à parler. Tallinn Adamovskaïa
Aujourd'hui, nous allons examiner ce processus d'un point de vue physique et tenter de trouver des réponses aux nombreux mystères qui accompagnent ce phénomène. Le sujet de la leçon est « Faire bouillir. Chaleur spécifique de vaporisation et de condensation”
Les élèves notent le sujet de la leçon dans leurs cahiers.
Professeur: Pour étudier l’ébullition, nous allons mener une expérience. Placez un flacon d'eau du robinet sur la lampe à alcool. Mesurons la température initiale de l'eau avec un thermomètre.
3. Actualisation des connaissances.
Professeur: Pendant que l'eau chauffe, rappelez-vous ce qu'on appelle l'évaporation.
Étudiant: La vaporisation est le phénomène de transformation d'un liquide en vapeur.
Professeur: Quelles sont les deux méthodes de vaporisation ?
Étudiant: Évaporation et ébullition.
Professeur: Quel phénomène est appelé évaporation ?
Étudiant: La formation de vapeur qui se produit à la surface d’un liquide est appelée évaporation.
Professeur: Expliquer le mécanisme de l'évaporation d'un point de vue moléculaire.
Étudiant: Tous les corps sont constitués de molécules qui se déplacent de manière continue et chaotique, et à des vitesses différentes. Si une molécule « rapide » atterrit à la surface d’un liquide, elle peut vaincre l’attraction des molécules voisines et s’envoler hors du liquide. Toutes les molécules émises forment de la vapeur.
Professeur: Les substances ont-elles une température fixe à laquelle commence le processus d'évaporation ?
Étudiant: Les substances n'ont pas une telle température. L'évaporation se produit à n'importe quelle température car les molécules se déplacent à n'importe quelle température.
Professeur: Qu'est-ce qui détermine le taux d'évaporation du liquide ?
Étudiant: Du type de substance, de la température, de la surface et du mouvement de l'air à la surface du liquide.
Professeur: Pourquoi l'évaporation se produit-elle plus rapidement à des températures de liquide plus élevées ?
Étudiant: Plus la température est élevée, plus la vitesse des molécules est grande.
Professeur: Comment le taux d'évaporation dépend-il de la surface du liquide ?
Étudiant: Plus la surface est grande, plus les molécules peuvent s'échapper du liquide.
Professeur: Pourquoi l'évaporation se produit-elle plus rapidement lorsque l'air se déplace ?
Étudiant: Les molécules évaporées ne peuvent pas retourner dans le liquide.
Professeur: Qu'est-ce que la condensation de vapeur ?
Étudiant: La condensation est le phénomène de transformation de la vapeur en liquide.
Professeur: Dans quelles conditions se produit la condensation de la vapeur ?
Étudiant: Lorsque la vapeur devient saturée, c'est-à-dire en équilibre dynamique avec son liquide.
4. Étudier du nouveau matériel.
Professeur: Revenons à notre expérience et mesurez la température de l'eau. Qu’observez-vous maintenant ?
Étudiant: Des bulles d'air sont apparues sur le fond et les parois du récipient. (Diapositive 3)
Professeur: Pourquoi des bulles d'air apparaissent-elles au fond et sur les parois du récipient ?
Étudiant: Il y a toujours de l'air dissous dans l'eau. Lorsqu'elles sont chauffées, les bulles d'air se dilatent et deviennent visibles.
Professeur: Pourquoi les bulles d'air commencent-elles à augmenter de volume ?
Étudiant: Parce que l'eau commence à s'évaporer à l'intérieur de ces bulles.
Professeur: Quelles forces agissent sur les bulles ?
Étudiant: Gravité et force d'Archimède.
Professeur: Quelle direction ont-ils ?
Étudiant: La gravité est dirigée vers le bas et Archimède est dirigé vers le haut. (Diapositive 4)
Professeur: Quand les bulles peuvent-elles se détacher du fond et des parois du récipient et commencer leur mouvement ascendant ?
Étudiant: Les bulles se détachent lorsque la force d'Archimède devient supérieure à la force de gravité.
Professeur: Mesurons la température de l'eau. Vous entendez maintenant un bruit caractéristique. Expliquons ce phénomène. Si le volume de la bulle est suffisamment grand, elle est sous l'influence
La force archimédienne commence à monter. Puisque le liquide est chauffé par convection, la température des couches inférieures est supérieure à la température des couches supérieures de l’eau. Lorsqu’une bulle pénètre dans la couche d’eau supérieure moins chauffée, la vapeur d’eau à l’intérieur se condense et le volume de la bulle diminue. La bulle va s’effondrer (Diapositive 5). On entend le bruit associé à ce processus avant l'ébullition. À une certaine température, c'est-à-dire lorsque tout le liquide est chauffé par convection, à mesure qu'il se rapproche de la surface, le volume des bulles augmente fortement, puisque la pression à l'intérieur de la bulle devient égale à la pression externe (de l'atmosphère et la colonne liquide). Les bulles éclatent à la surface et beaucoup de vapeur se forme au-dessus du liquide. L'eau bout.
Nous allons maintenant mesurer la température de l'eau bouillante. L'eau bout à une température de 100°C.
Enseignant : Donc, la condition d'ébullition : la pression à l'intérieur de la bulle est égale à la pression extérieure et les signes d'ébullition :
De nombreuses bulles éclatent à la surface ;
Beaucoup de vapeur.
Qu'est-ce qui bout ?
Étudiant: L'ébullition est la formation de vapeur qui se produit dans le volume de tout le liquide à une certaine température.
Professeur: Écrivons la définition de l'ébullition (Diapositive 6).
L'ébullition est une vaporisation intense qui se produit dans tout le volume d'un liquide à une certaine température.
Professeur: Quelle température est appelée point d'ébullition ?
Étudiant: La température à laquelle bout un liquide est appelée point d’ébullition.
Professeur: Pensez-vous que la température va changer pendant le processus d'ébullition ?
Étudiant: Je pense que cela ne changera pas (Diapositive 7).
Professeur: Mesurons à nouveau la température de l'eau bouillante. La température ne change pas. Mais la lampe à alcool continue de fonctionner et de dégager de l'énergie. À quoi sert cette énergie s’il n’y a plus d’augmentation de la température ?
Étudiant: Il est consacré à la formation de bulles de vapeur.
Professeur: Reportez-vous au tableau de la page 45. Trouvez le point d'ébullition de l'eau.
Étudiant: Le point d'ébullition de l'eau est de 100°C.
Professeur: Quel liquide a le même point d'ébullition ?
Étudiant: Lait.
Professeur: Quel est le point d'ébullition de l'éther et de l'alcool ?
Étudiant: L'éther bout à 35 o C, l'alcool - à 78 o C.
Professeur: Certaines substances qui, dans des conditions normales, sont des gaz, lorsqu'elles sont suffisamment refroidies, se transforment en liquides qui bout à très basse température. Lesquelles de ces substances figurent dans le tableau ?
Étudiant: Ce sont l’hydrogène et l’oxygène. L'hydrogène liquide bout à -253 o C et l'oxygène bout à -183 o C.
Professeur: Nous allons maintenant regarder la vidéo « Boiling of Nitrogen » (Diapositive 8).
Professeur: Il y a plusieurs substances dans le tableau qui sont solides dans des conditions normales. Si vous les faites fondre, ils bouilliront à l'état liquide à une température très élevée. Donnez des exemples.
Étudiant: Par exemple, le cuivre liquide bout à 2 567 o C et le fer bout à 2 750 o C.
Professeur: Avez-vous fait attention aux informations indiquées entre parenthèses dans le titre de ce tableau ?
Étudiant: Le point d'ébullition de certaines substances à pression atmosphérique normale.
Professeur: Pourquoi pensez-vous que cette condition est spécifiée ?
Étudiant: Parce que le point d'ébullition dépend de la pression extérieure.
Professeur: Étudions la dépendance de la température d'ébullition à la pression extérieure.
Démonstration : retirez le ballon contenant le liquide bouillant de la lampe à alcool et fermez-le avec un bouchon dans lequel est insérée une ampoule. Lorsque vous appuyez sur l'ampoule, l'ébullition dans le ballon s'arrête. Pourquoi?
Étudiant: Lorsque nous avons appuyé sur l'ampoule, nous avons augmenté la pression dans le ballon et la condition d'ébullition a été violée.
Professeur: Ainsi, nous avons montré qu'avec l'augmentation de la pression, le point d'ébullition augmente. De nombreuses femmes au foyer utilisent une casserole pour cuisiner - un autocuiseur, qui présente de nombreux avantages par rapport aux casseroles ordinaires. Le processus de cuisson des aliments dans un autocuiseur se déroule à une température de 120 °C et une pression de 200 kPa, le temps de cuisson est donc considérablement réduit (diapositive 9).
Professeur: Rappelons-nous comment la pression atmosphérique change avec l'augmentation de l'altitude au-dessus du niveau de la mer ?
Étudiant: La pression atmosphérique diminue.
Professeur: Comment le point d'ébullition de l'eau change-t-il en montée ?
Étudiant: Il va diminuer (Diapositive 10).
Professeur: Tout à fait vrai. Par exemple, sur la plus haute montagne Chomolungma de l'Himalaya, dont la hauteur est de 8 848 m, l'eau bout à une température d'environ 70 ° C. Il est tout simplement impossible de faire cuire de la viande dans une eau aussi bouillante.
Pensez-vous qu'il est possible de faire bouillir de l'eau à température ambiante ?
Démonstration : placer un verre d'eau froide sous une cloche en verre. À l'aide d'une pompe Komovsky, nous pompons l'air. Au fur et à mesure que la pression dans le verre diminue, on observe les étapes d'ébullition du liquide, tandis que la température reste basse.
Professeur: Quelle conclusion peut-on tirer des expériences ?
Étudiant: Le point d'ébullition d'un liquide dépend de la pression.
Professeur: Nous nous sommes familiarisés avec le processus d'ébullition. Pensez-vous que la même quantité de chaleur est nécessaire pour faire bouillir différents liquides de masse égale pris au point d’ébullition ?
Étudiant: Je pense que différentes quantités de chaleur seront nécessaires.
Professeur: Correct (Diapositive 11). Dans le diagramme, nous voyons que différentes quantités de chaleur sont nécessaires pour transformer différents liquides en vapeur. Cette quantité de chaleur est caractérisée par une grandeur physique appelée chaleur spécifique de vaporisation. Cette quantité est désignée par la lettre L, son unité SI est le J/kg. La chaleur spécifique de vaporisation est une grandeur physique qui indique la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide pesant 1 kg en vapeur au point d'ébullition. Regardons le tableau de la page 49. Par exemple, la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est de 2,3*10 6 J/kg. Cela signifie que pour convertir 1 kg d'eau en vapeur au point d'ébullition, vous devez dépenser 2,3 * 10 6 J d'énergie. Quelle est la chaleur spécifique de vaporisation de l’alcool ?
Étudiant: Chaleur spécifique de vaporisation de l'alcool 0,9*10 6 J/kg.
Professeur: Que signifie ce chiffre ?
Étudiant: Cela signifie que pour transformer 1 kg d'alcool en vapeur à ébullition, il faut dépenser 0,9 * 10 6 J d'énergie.
Professeur: Par conséquent, au point d'ébullition, l'énergie interne d'une substance à l'état vapeur est supérieure à l'énergie interne de la même masse de substance à l'état liquide. C'est pourquoi une brûlure à la vapeur à une température de 100 o C est plus dangereuse qu'une brûlure à l'eau bouillante (Diapositive 12).
Répondez maintenant à la question : si vous retirez le couvercle d’une bouilloire bouillante, que voyez-vous dessus ?
Étudiant: Nous y verrons des gouttelettes d'eau.
Professeur: Comment expliquez-vous leur apparition ?
Étudiant: La vapeur, au contact du couvercle, se condense (Diapositive 13).
Professeur: Lorsque la vapeur se condense, de l'énergie est libérée. Les expériences montrent que la vapeur, lors de sa condensation, libère exactement la même quantité de chaleur que celle dépensée pour sa formation. L'énergie libérée lors de la condensation de la vapeur peut être utilisée. Dans les centrales thermiques, l'eau est chauffée avec la vapeur extraite des turbines, puis elle est utilisée pour chauffer les bâtiments et dans les entreprises de service public : bains, blanchisseries, etc.
Pour calculer la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide de n'importe quelle masse en vapeur au point d'ébullition, vous devez multiplier la chaleur spécifique de vaporisation par la masse. Écrivons la formule : Q = Lm. La quantité de chaleur que la vapeur, quelle que soit sa masse, libère lors de sa condensation au point d'ébullition est déterminée par la même formule.
5. Consolidation.
Professeur: Vous connaissez donc désormais deux modes de vaporisation : l'évaporation et l'ébullition. Qui peut dire en quoi ces processus diffèrent ?
Étudiant: L'évaporation se produit à partir de la surface du liquide et l'ébullition se produit dans tout le volume du liquide.
Étudiant: L'évaporation se produit à n'importe quelle température et l'ébullition se produit à une certaine température. Chaque liquide a son propre point d'ébullition.
Étudiant: Lors de l'évaporation, la température d'un liquide diminue, mais lors de l'ébullition, elle ne change pas.
Professeur: Où pensez-vous que l'eau bouillante est la plus chaude : au niveau de la mer, au sommet d'une montagne ou dans une mine profonde ?
Étudiant: Je pense que l'eau sera plus chaude dans une mine profonde car la pression atmosphérique en profondeur sera plus élevée, donc l'eau bouillira à une température plus élevée.
Professeur: Quelle formule peut être utilisée pour calculer la quantité de chaleur dépensée pour la formation de vapeur ou libérée lors de la condensation de la vapeur ?
Professeur: Essayons de calculer verbalement la quantité de chaleur pour les cas suivants (Diapositive 15) :
Étudiant: Pour l'éther Q = 2*10 6 J, pour l'alcool – 9*10 6 J, pour l'eau – 4,6*10 6 J.
Professeur: Le graphique montre les processus de chauffage et d'ébullition de deux liquides de même masse (diapositive 16). À l’aide du tableau de la page 45, déterminez pour quelles substances les graphiques ont été construits.
Étudiant: Celui du haut est pour l'eau, celui du bas est pour l'alcool, puisque le point d'ébullition de l'eau est de 100 o C et celui de l'alcool est de 78 o C.
Professeur: Quelle était la température initiale des liquides ?
Étudiant: La température initiale des deux liquides est de 20 ?
Professeur: Nommez les sections du graphique correspondant à l’échauffement des liquides.
Étudiant: AB pour l'alcool et AD pour l'eau.
Professeur: Nommez les sections du graphique qui correspondent à l’ébullition des liquides.
Étudiant: BC pour l'alcool et DE pour l'eau.
6. Résumer la leçon.
Professeur: Ouvrez votre journal et notez vos devoirs : paragraphes 18, 20. Exercice 10(4) (Diapositive 17).
Pour ceux que cela intéresse, la tâche expérimentale suivante.
Prenez une grande casserole d'eau. Placez-y une petite casserole d'eau pour qu'elle flotte sans toucher le fond de la grande casserole. Placez-les sur la cuisinière et commencez à chauffer. Qu’arrivera-t-il à l’eau d’une petite casserole lorsqu’elle bout dans une grande casserole ? Pourquoi? Mettez une cuillère à soupe de sel dans une grande casserole. Qu’arrive-t-il ensuite à l’eau dans la petite casserole ? Expliquez le phénomène observé. Que pouvez-vous dire sur le point d’ébullition de l’eau salée ?
7. Réflexion.
Professeur: Notre leçon touche à sa fin. J'aimerais savoir dans quelle humeur vous partez. Vous avez trois autocollants colorés sur vos bureaux qui reflètent les ambiances suivantes : vert - j'ai vraiment aimé la leçon, bleu - j'étais intéressé, rouge - je m'ennuyais. En partant, collez sur le tableau un autocollant qui reflète votre humeur (Diapositive 18).
La leçon est terminée. Merci de votre attention !
Sources
- A.V. Perychkine. Physique. 8e année. -M.; Outarde
- E.M. Gutnik, E, V. Rybakova, E.V. Sharonine.
- Matériel méthodologique pour les enseignants. Physique. 8e année. -M.; Outarde
- LA. Gorev. Expériences divertissantes en physique. – M. ;
- Éducation
- Collection unifiée de ressources pédagogiques numériques :
Vidéo « Ébullition de l'azote »
Dessins issus d'une présentation flash
Dans cette leçon, nous prêterons attention à ce type d'évaporation, comme l'ébullition, discuterons de ses différences par rapport au processus d'évaporation discuté précédemment, introduirons une valeur telle que la température d'ébullition et discuterons de quoi elle dépend. À la fin de la leçon, nous présenterons une quantité très importante qui décrit le processus de vaporisation : la chaleur spécifique de vaporisation et de condensation.
Sujet : États agrégés de la matière
Leçon : Faire bouillir. Chaleur spécifique de vaporisation et de condensationDans la dernière leçon, nous avons déjà examiné l'un des types de formation de vapeur - l'évaporation - et mis en évidence les propriétés de ce processus. Aujourd'hui, nous allons discuter de ce type de vaporisation, le processus d'ébullition, et introduire une valeur qui caractérise numériquement le processus de vaporisation - la chaleur spécifique de vaporisation et de condensation. Définition.
Ébullition
(Fig. 1) est un processus de transition intense d'un liquide vers un état gazeux, accompagné de la formation de bulles de vapeur et se produisant dans tout le volume du liquide à une certaine température, appelée point d'ébullition.
L'eau contient des gaz dissous (ou d'autres impuretés) qui sont libérés dans sa structure, ce qui conduit à ce qu'on appelle l'apparition de centres de vaporisation. C'est-à-dire que c'est dans ces centres que la vapeur commence à être libérée et que des bulles se forment dans tout le volume d'eau, observées lors de l'ébullition. Il est important de comprendre que ces bulles ne contiennent pas d’air, mais de la vapeur qui se forme lors du processus d’ébullition. Après la formation des bulles, la quantité de vapeur qu'elles contiennent augmente et leur taille commence à augmenter. Souvent, des bulles se forment initialement près des parois du récipient et ne remontent pas immédiatement à la surface ; d'abord, de plus en plus grands, ils sont influencés par la force croissante d'Archimède, puis ils se détachent du mur et remontent à la surface, où ils éclatent et libèrent une partie de la vapeur.
Il convient de noter que toutes les bulles de vapeur n’atteignent pas immédiatement la surface libre de l’eau. Au début du processus d'ébullition, l'eau n'est pas encore chauffée uniformément et les couches inférieures, à proximité desquelles se produit directement le processus de transfert de chaleur, sont encore plus chaudes que les couches supérieures, même en tenant compte du processus de convection. Cela conduit au fait que les bulles de vapeur montant du bas s'effondrent en raison du phénomène de tension superficielle, avant d'atteindre la surface libre de l'eau. Dans ce cas, la vapeur qui se trouvait à l'intérieur des bulles passe dans l'eau, la chauffant ainsi davantage et accélérant le processus de chauffage uniforme de l'eau dans tout le volume. En conséquence, lorsque l'eau se réchauffe presque uniformément, presque toutes les bulles de vapeur commencent à atteindre la surface de l'eau et le processus de formation intense de vapeur commence.
Il est important de souligner le fait que la température à laquelle se déroule le processus d’ébullition reste inchangée même si l’intensité de l’apport de chaleur au liquide augmente. En termes simples, si pendant le processus d'ébullition vous ajoutez du gaz sur un brûleur qui chauffe une casserole d'eau, cela ne fera qu'augmenter l'intensité de l'ébullition, et non la température du liquide. Si nous examinons plus sérieusement le processus d'ébullition, il convient de noter que des zones apparaissent dans l'eau dans lesquelles elle peut être surchauffée au-dessus du point d'ébullition, mais l'ampleur de cette surchauffe, en règle générale, ne dépasse pas un ou quelques degrés. et est insignifiant dans le volume total de liquide. Le point d’ébullition de l’eau à pression normale est de 100°C.
Pendant le processus d'ébullition de l'eau, vous pouvez remarquer qu'elle est accompagnée de sons caractéristiques de ce qu'on appelle le bouillonnement. Ces sons surviennent précisément en raison du processus décrit d'effondrement des bulles de vapeur.
Les processus d’ébullition d’autres liquides se déroulent de la même manière que l’ébullition de l’eau. La principale différence entre ces processus réside dans les différentes températures d'ébullition des substances, qui, à pression atmosphérique normale, sont déjà des valeurs tabulaires mesurées. Nous indiquons les principales valeurs de ces températures dans le tableau.
Un fait intéressant est que le point d'ébullition des liquides dépend de la valeur de la pression atmosphérique, c'est pourquoi nous avons indiqué que toutes les valeurs du tableau sont données à pression atmosphérique normale. Lorsque la pression de l'air augmente, le point d'ébullition du liquide augmente également lorsqu'il diminue, au contraire, il diminue.
Le principe de fonctionnement d'un appareil de cuisine aussi connu qu'un autocuiseur repose sur cette dépendance du point d'ébullition à la pression ambiante (Fig. 2). Il s'agit d'une casserole avec un couvercle hermétique, sous laquelle, pendant le processus de cuisson de l'eau, la pression de l'air avec la vapeur atteint jusqu'à 2 pressions atmosphériques, ce qui entraîne une augmentation du point d'ébullition de l'eau qu'elle contient. De ce fait, l'eau et les aliments qu'il contient ont la possibilité de chauffer à une température plus élevée que d'habitude (), et le processus de cuisson est accéléré. C'est à cause de cet effet que l'appareil tire son nom.
Riz. 2. Autocuiseur ()
La situation avec une diminution du point d'ébullition d'un liquide avec une diminution de la pression atmosphérique a également un exemple tiré de la vie, mais ce n'est plus quotidien pour de nombreuses personnes. Cet exemple s'applique aux déplacements des alpinistes en haute montagne. Il s'avère que dans les zones situées à une altitude de 3 000 à 5 000 m, le point d'ébullition de l'eau en raison d'une diminution de la pression atmosphérique est réduit à des valeurs inférieures, ce qui entraîne des difficultés lors de la préparation des aliments lors des randonnées, car pour un traitement thermique efficace des produits dans ce cas, cela prend beaucoup plus de temps que dans des conditions normales. À des altitudes d'environ 7 000 m, le point d'ébullition de l'eau atteint , ce qui rend impossible la cuisson de nombreux produits dans de telles conditions.
Certaines technologies de séparation de substances reposent sur le fait que les points d'ébullition de différentes substances sont différents. Par exemple, si l’on considère le fioul, qui est un liquide complexe composé de nombreux composants, alors pendant le processus d’ébullition, il peut être divisé en plusieurs substances différentes. Dans ce cas, étant donné que les points d'ébullition du kérosène, de l'essence, du naphta et du fioul sont différents, ils peuvent être séparés les uns des autres par vaporisation et condensation à des températures différentes. Ce processus est généralement appelé fractionnement (Fig. 3).
Riz. 3 Séparation de l'huile en fractions ()
Comme tout processus physique, l’ébullition doit être caractérisée à l’aide d’une valeur numérique, cette valeur est appelée chaleur spécifique de vaporisation.
Afin de comprendre la signification physique de cette valeur, considérons l'exemple suivant : prenez 1 kg d'eau et portez-le à ébullition, puis mesurez la quantité de chaleur nécessaire pour évaporer complètement cette eau (sans tenir compte des déperditions thermiques) - cette valeur sera égale à la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau. Pour une autre substance, cette valeur calorifique sera différente et sera la chaleur spécifique de vaporisation de cette substance.
La chaleur spécifique de vaporisation s'avère être une caractéristique très importante dans les technologies modernes de production de métaux. Il s'avère que, par exemple, lors de la fusion et de l'évaporation du fer, suivis de sa condensation et de sa solidification, un réseau cristallin se forme avec une structure qui offre une résistance supérieure à celle de l'échantillon d'origine.
Désignation: chaleur spécifique de vaporisation et de condensation (parfois notée ).
Unité de mesure: .
La chaleur spécifique de vaporisation des substances est déterminée à l'aide d'expériences en laboratoire et ses valeurs pour les substances basiques sont répertoriées dans le tableau approprié.
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Substance |
but du travail
Maîtriser et consolider le matériel théorique sur le thème du cours de thermodynamique « Vapeur d'eau », ainsi que maîtriser les méthodes expérimentales et le traitement des données obtenues, familiarisation avec les tableaux « Propriétés thermophysiques de l'eau et de la vapeur d'eau ».
1. Étudiez le schéma de l'installation expérimentale, allumez-la et amenez-la à un régime thermique stationnaire donné.
2. Réalisez l'expérience conformément aux instructions méthodologiques, remplissez le tableau 1.
3. Déterminez la chaleur spécifique dépensée pour la vaporisation de l'eau dans l'expérience.
4. Pour le processus de vaporisation isobare, déterminez les valeurs tabulées des paramètres de l'eau sur la ligne de saturation et de la vapeur saturée sèche, ainsi que la chaleur spécifique de vaporisation.
5. Calculez l’énergie interne du liquide sur la droite de saturation de vapeur pour les conditions expérimentales.
6. Calculez l'erreur de la valeur trouvée de la chaleur spécifique de vaporisation par rapport à celle tabulée.
7. Représentez les processus qui se produisent dans le récipient Dewar dans les diagrammes P-v et T-s.
8. Tirez une conclusion sur le travail.
INSTRUCTIONS METHODOLOGIQUES
La transition d'une substance d'un état liquide à un état gazeux est appelée vaporisation, et la transition inverse est appelée condensation. L'ébullition d'un liquide est un processus de vaporisation à l'intérieur d'un liquide qui se produit à une température t n, °C strictement définie, déterminée par la pression. S’il existe une phase gazeuse avec une phase liquide de la même substance, on parle alors de vapeur. La phase gazeuse du système est de la vapeur saturée sèche et la phase liquide est un liquide qui maintient l'état correspondant au début de la vaporisation.
Lors de la vaporisation selon un processus isobare-isotherme, selon la première loi de la thermodynamique, la chaleur spécifique de transformation de phase (chaleur spécifique de vaporisation) r, J/kg,
r = u" - u" + p (v" -v"), (1)
r = je" - je" , (2)
où tu", je", v" - respectivement, énergie interne, enthalpie, J/kg et volume spécifique de vapeur saturée sèche, m 3 /kg ;
u", i", v" - respectivement énergie interne, enthalpie, J/kg et volume spécifique de liquide en état de saturation, m 3 /kg.
La pression p, Pa, n'est pas marquée d'indices spéciaux, car elle ne change pas pendant toute la transition de phase et est égale à la pression de saturation.
Ainsi, la chaleur spécifique de vaporisation inclut le changement de l'énergie interne de la substance et le travail de changement de volume lors d'une transition de phase.
La chaleur spécifique de vaporisation est fonctionnellement liée aux paramètres d'état. Pour la plupart des substances utilisées dans la pratique, les propriétés du liquide et de la vapeur à la ligne de saturation sont déterminées et tabulées. Ces tableaux montrent les valeurs de p et t sur la droite de saturation et les valeurs correspondantes des quantités v", v", i", i", r, s", s". L'énergie interne du liquide sur la ligne de saturation u", J/kg, et de la vapeur sèche saturée u", J/kg, est déterminée en conséquence par les équations
u" = je" -pv" (3)
u" = je" -pv" (4)
CONFIGURATION EXPÉRIMENTALE
Dessin. Schéma de configuration expérimentale
Le dispositif expérimental (figure) consiste en un flacon Dewar 1 avec un radiateur électrique 2, dans lequel une partie de l'eau distillée est versée depuis le récipient 3, contrôlé par la vanne 4. La vapeur résultante dans le condenseur 5, à travers lequel passe l'eau du robinet, tourne en liquide. Le débit d'eau est régulé par la vanne 7 en fonction du voyant de contrôle 8. Le condensat résultant est collecté dans une éprouvette de mesure 9. Sur le panneau de commande se trouvent : l'interrupteur « RÉSEAU » 10, le voltmètre 11, l'ampèremètre 12, l'interrupteur de mode 13 ; 6 - entonnoir en verre.
MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
1. Allumez l'installation en tournant l'interrupteur 10 en position « 1 ».
2. Vérifiez le remplissage du récipient Dewar 1 en réglant le commutateur de mode 13 sur la position « REMPLISSAGE ». Si le voyant vert « Le récipient est plein » s'allume, vous pouvez commencer l'expérience. Sinon, le récipient est rempli d'eau distillée, pour laquelle la vanne 4 est ouverte. Après l'allumage du voyant vert, fermez hermétiquement le récipient.
3. Tournez l'interrupteur 13 sur la position « CHAUFFAGE ».
4. En tournant le bouton de l'autotransformateur 14, réglez la valeur de tension sur le radiateur U, V (et le courant I, A) spécifiée par l'enseignant.
5. Alimentez en eau de refroidissement le condenseur 5 en ouvrant la vanne 7 et réglez le débit d'eau en fonction du voyant de contrôle 8.
6. Lors de l'établissement d'un mode stationnaire d'ébullition de l'eau dans un récipient Dewar (15 à 20 cm de condensat seront collectés dans le cylindre de mesure 9), effectuez une collecte de contrôle du condensat dans la quantité spécifiée par l'enseignant (V, m 3) . La durée de la collecte témoin t, s, est déterminée à l'aide d'un chronomètre.
7. À l'aide d'un baromètre, déterminez la pression atmosphérique Pa, mmHg.
8. Insérez les données de mesure dans le tableau d'observation et faites-le signer par l'enseignant.
9. Allumez l'installation en tournant l'interrupteur « 0 », fermez la vanne 7, tournez la poignée de l'autotransformateur dans le sens inverse des aiguilles d'une montre jusqu'à ce qu'elle s'arrête, vidangez les condensats dans le récipient 3.
Tableau 1
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Numéro de mesure |
mm. art. Art. | ||||
TRAITEMENT DES DONNÉES EXPÉRIMENTALES
1. Calculez la quantité de chaleur dépensée pour la vaporisation de 1 kg d'eau r op, J/kg :
r op = (W - Q) / (Vr),
où W = UI - puissance de chauffage, W ;
Q = 0,04W - perte de chaleur, W ;
r - densité du condensat, kg/m3. On prend r = 1000 kg/m3.
2. En supposant que l'eau bout à la pression atmosphérique, déterminez les valeurs tabulées des paramètres de l'eau sur la ligne de saturation et de la vapeur saturée sèche, qui sont inscrites dans le tableau 2.
Tableau 2
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je", kJ/kg |
S", kJ/(kgK) |
je", kJ/kg |
S", J/(kgK) | |||
3. Calculez les valeurs de l'énergie interne de l'eau sur la droite de saturation u" et de la vapeur saturée sèche u", kJ/kg, en utilisant les formules (3) et (4).
4. Calculez l'erreur, %, de la valeur trouvée de la chaleur spécifique de vaporisation r op, kJ/kg, par rapport au r tabulé, kJ/kg, en utilisant la formule :
D = (r op - r) 100 / r.
5. Représentez graphiquement les processus qui se produisent dans le récipient Dewar dans les diagrammes P-v et T-s.
6. Tirez une conclusion sur le travail.
QUESTIONS D'AUTO-PRÉPARATION
1. Vaporisation de liquide ; l'essence des processus d'ébullition et d'évaporation du liquide.
2. Processus isobare de transition du liquide en vapeur surchauffée dans les diagrammes P-v et T-s.
3. Courbes aux limites avec le degré de siccité x = 0 et x = 1, état critique de la substance
4. Concepts : liquide sur la ligne de saturation, vapeur saturée humide, vapeur saturée sèche, vapeur surchauffée.
5. Chaleur spécifique de vaporisation du liquide.
6. Degré de sécheresse, degré d'humidité de la vapeur.
7. Tableaux des propriétés thermophysiques de l'eau et de la vapeur d'eau, leur signification.
8. Détermination des paramètres de vapeur humide.
9. i-s diagramme de la vapeur d'eau, son but.
10. Processus thermodynamiques à la vapeur dans les diagrammes P-v, T-s, i-s.
LISTE BIBLIOGRAPHIQUE
1. Génie thermique / Éd. A.P. Baskakova - M. : Energoizdat, 1991. - 224 p.
2. Nashchokin V.V. Thermodynamique technique et transfert thermique. - M. : : Ecole Supérieure, 1980. - 496 p.
3. Yudaev B.N. Thermodynamique technique. Transfert de chaleur. - M. : Ecole Supérieure, 1998. - 480 p.
4. Rivkin S.L., Alexandrov A.A. Tableaux des propriétés thermophysiques de l'eau et de la vapeur d'eau - M. : Energie, 1980. - 408 p.
Appareils et accessoires utilisés dans le travail :
2. Conduite de vapeur (tube en caoutchouc).
3. Calorimètre.
4. Cuisinière électrique.
5. Thermomètre.
6. Balances techniques avec poids.
7. Bécher.
Objectif du travail :
Apprenez à déterminer expérimentalement la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau.
I. INTRODUCTION THÉORIQUE.
Dans le processus d'échange d'énergie entre la matière et l'environnement, une transition de la matière d'un état d'agrégation à un autre (d'un état de phase à un autre) est possible.
La transition d'une substance de l'état liquide à l'état gazeux est appelée vaporisation.
La vaporisation se produit sous forme d'évaporation et d'ébullition.
La vaporisation qui se produit uniquement à partir de la surface libre d'un liquide est appelée évaporation .
L'évaporation se produit à n'importe quelle température du liquide, mais avec l'augmentation de la température, le taux d'évaporation du liquide augmente.
Le liquide qui s'évapore peut se refroidir si la chaleur ne lui est pas intensément fournie de l'extérieur, ou se réchauffer si la chaleur est intensément fournie de l'extérieur.
La vaporisation qui se produit dans tout le volume de liquide et à température constante est appelée ébullition.
Le point d'ébullition dépend de la pression extérieure à la surface du liquide.
Le point d’ébullition d’un liquide à pression atmosphérique normale est appelé point d'ébullition de ce liquide.
Lors de la vaporisation, l'énergie interne d'une substance augmente, donc pour transformer un liquide en vapeur, de la chaleur doit lui être fournie par le processus d'échange thermique.
La quantité de chaleur nécessaire pour transformer un liquide en vapeur à température constante est appelée chaleur de vaporisation.
La valeur est directement proportionnelle à la masse du liquide transformé en vapeur :
La quantité g, qui caractérise la dépendance de la chaleur de vaporisation au type de substance et aux conditions extérieures, est appelée chaleur spécifique de vaporisation . La chaleur spécifique de vaporisation est mesurée par la quantité de chaleur nécessaire pour convertir une unité de masse de liquide en vapeur à température constante :
En SI, la chaleur spécifique de vaporisation est mesurée en .
La valeur dépend de la température à laquelle se produit la vaporisation. L'expérience montre qu'à mesure que la température augmente, la chaleur spécifique de vaporisation diminue. Le graphique présenté (Fig. 1) montre la dépendance à l'égard de l'eau.
Dans ce travail, la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau lors du processus d'ébullition est déterminée à l'aide de l'équation du bilan thermique pour la condensation de la vapeur d'eau. Pour ce faire, prenez un calorimètre (K) (voir Fig. 2), dans lequel se trouve de l'eau à une température, de la vapeur d'eau ayant un point d'ébullition est introduite du ballon par une conduite de vapeur P dans l'eau froide du calorimètre, où il se condense.
Après un certain temps, le tube de conduite de vapeur est retiré et la température établie dans le calorimètre est mesurée et la masse de vapeur introduite dans le calorimètre est déterminée.
Ensuite, l’équation du bilan thermique est compilée.
Lorsqu’une masse de vapeur se condense, de la chaleur est libérée.
où est la chaleur spécifique de condensation (également la chaleur spécifique de vaporisation). La vapeur condensée se transforme en eau à une température qui, une fois refroidie à une certaine température, libère de la chaleur.
(4)
La chaleur dégagée lors de la condensation de la vapeur et du refroidissement de l'eau chaude est reçue par le calorimètre et l'eau qu'il contient. Pour cette raison, ils chauffent de température en température . La chaleur reçue par le calorimètre et l'eau froide est calculée selon la formule :
L'équation du bilan thermique est établie conformément à la loi de conservation de l'énergie lors du transfert de chaleur.
Lors d'un échange thermique, la somme des quantités de chaleur cédées par tous les corps dont l'énergie interne diminue est égale à la somme des quantités de chaleur reçues par tous les corps dont l'énergie interne augmente :
(6)
Dans notre cas, pour l’échange thermique ayant lieu dans le calorimètre, nous supposons qu’il n’y a pas de perte de chaleur vers l’environnement. Par conséquent, nous écrivons l’équation (6) sous la forme : ou
De cette équation, nous obtenons une formule de travail pour calculer la valeur basée sur les résultats expérimentaux :
2. AVANCEMENT DES TRAVAUX.
1. Etablir un tableau dans lequel seront inscrits les résultats des mesures et des calculs sous la forme donnée en fin de description.
2. Pesez le récipient interne du calorimètre et inscrivez la valeur obtenue dans le tableau.
3. À l'aide d'un bécher, mesurez 150 à 200 ml d'eau froide, versez-la dans le calorimètre et mesurez la masse du récipient interne du calorimètre avec de l'eau (m 2). Trouver la masse d'eau :
m po = m 2 – m à
Enregistrez la masse d'eau froide dans le tableau.
4. Mesurez la température initiale du calorimètre et la valeur de l'eau qu'il contient, notez-la dans le tableau.
5. Abaissez l'extrémité de la conduite de vapeur dans l'eau du calorimètre et laissez entrer la vapeur jusqu'à ce que la température de l'eau augmente de 30°K à 35°K (température q après échange thermique).
6. Pesez le verre intérieur du calorimètre et déterminez la masse de vapeur condensée. Écrivez le résultat dans le tableau. ()
7. Les valeurs des capacités thermiques spécifiques de l'eau et de la substance calorimétrique (aluminium) et la valeur tabulée de la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau sont données dans le tableau des résultats de mesure et de calcul.
8. À l'aide de la formule (7), calculez la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau.
9. Calculez l'erreur absolue et relative du résultat obtenu par rapport au résultat tabulaire à l'aide des formules :
; 
10. Tirez une conclusion sur le travail effectué et le résultat résultant de la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau.
TABLEAU DES RÉSULTATS DES MESURES ET DES CALCULS
Vidéo « Ébullition de l'azote »
Dessins issus d'une présentation flash
Dans cette leçon, nous prêterons attention à ce type d'évaporation, comme l'ébullition, discuterons de ses différences par rapport au processus d'évaporation discuté précédemment, introduirons une valeur telle que la température d'ébullition et discuterons de quoi elle dépend. À la fin de la leçon, nous présenterons une quantité très importante qui décrit le processus de vaporisation : la chaleur spécifique de vaporisation et de condensation.
Sujet : États agrégés de la matière
Leçon : Faire bouillir. Chaleur spécifique de vaporisation et de condensationDans la dernière leçon, nous avons déjà examiné l'un des types de formation de vapeur - l'évaporation - et mis en évidence les propriétés de ce processus. Aujourd'hui, nous allons discuter de ce type de vaporisation, le processus d'ébullition, et introduire une valeur qui caractérise numériquement le processus de vaporisation - la chaleur spécifique de vaporisation et de condensation. Définition.
Ébullition
(Fig. 1) est un processus de transition intense d'un liquide vers un état gazeux, accompagné de la formation de bulles de vapeur et se produisant dans tout le volume du liquide à une certaine température, appelée point d'ébullition.
L'eau contient des gaz dissous (ou d'autres impuretés) qui sont libérés dans sa structure, ce qui conduit à ce qu'on appelle l'apparition de centres de vaporisation. C'est-à-dire que c'est dans ces centres que la vapeur commence à être libérée et que des bulles se forment dans tout le volume d'eau, observées lors de l'ébullition. Il est important de comprendre que ces bulles ne contiennent pas d’air, mais de la vapeur qui se forme lors du processus d’ébullition. Après la formation des bulles, la quantité de vapeur qu'elles contiennent augmente et leur taille commence à augmenter. Souvent, des bulles se forment initialement près des parois du récipient et ne remontent pas immédiatement à la surface ; d'abord, de plus en plus grands, ils sont influencés par la force croissante d'Archimède, puis ils se détachent du mur et remontent à la surface, où ils éclatent et libèrent une partie de la vapeur.
Il convient de noter que toutes les bulles de vapeur n’atteignent pas immédiatement la surface libre de l’eau. Au début du processus d'ébullition, l'eau n'est pas encore chauffée uniformément et les couches inférieures, à proximité desquelles se produit directement le processus de transfert de chaleur, sont encore plus chaudes que les couches supérieures, même en tenant compte du processus de convection. Cela conduit au fait que les bulles de vapeur montant du bas s'effondrent en raison du phénomène de tension superficielle, avant d'atteindre la surface libre de l'eau. Dans ce cas, la vapeur qui se trouvait à l'intérieur des bulles passe dans l'eau, la chauffant ainsi davantage et accélérant le processus de chauffage uniforme de l'eau dans tout le volume. En conséquence, lorsque l'eau se réchauffe presque uniformément, presque toutes les bulles de vapeur commencent à atteindre la surface de l'eau et le processus de formation intense de vapeur commence.
Il est important de souligner le fait que la température à laquelle se déroule le processus d’ébullition reste inchangée même si l’intensité de l’apport de chaleur au liquide augmente. En termes simples, si pendant le processus d'ébullition vous ajoutez du gaz sur un brûleur qui chauffe une casserole d'eau, cela ne fera qu'augmenter l'intensité de l'ébullition, et non la température du liquide. Si nous examinons plus sérieusement le processus d'ébullition, il convient de noter que des zones apparaissent dans l'eau dans lesquelles elle peut être surchauffée au-dessus du point d'ébullition, mais l'ampleur de cette surchauffe, en règle générale, ne dépasse pas un ou quelques degrés. et est insignifiant dans le volume total de liquide. Le point d’ébullition de l’eau à pression normale est de 100°C.
Pendant le processus d'ébullition de l'eau, vous pouvez remarquer qu'elle est accompagnée de sons caractéristiques de ce qu'on appelle le bouillonnement. Ces sons surviennent précisément en raison du processus décrit d'effondrement des bulles de vapeur.
Les processus d’ébullition d’autres liquides se déroulent de la même manière que l’ébullition de l’eau. La principale différence entre ces processus réside dans les différentes températures d'ébullition des substances, qui, à pression atmosphérique normale, sont déjà des valeurs tabulaires mesurées. Nous indiquons les principales valeurs de ces températures dans le tableau.
Un fait intéressant est que le point d'ébullition des liquides dépend de la valeur de la pression atmosphérique, c'est pourquoi nous avons indiqué que toutes les valeurs du tableau sont données à pression atmosphérique normale. Lorsque la pression de l'air augmente, le point d'ébullition du liquide augmente également lorsqu'il diminue, au contraire, il diminue.
Le principe de fonctionnement d'un appareil de cuisine aussi connu qu'un autocuiseur repose sur cette dépendance du point d'ébullition à la pression ambiante (Fig. 2). Il s'agit d'une casserole avec un couvercle hermétique, sous laquelle, pendant le processus de cuisson de l'eau, la pression de l'air avec la vapeur atteint jusqu'à 2 pressions atmosphériques, ce qui entraîne une augmentation du point d'ébullition de l'eau qu'elle contient. De ce fait, l'eau et les aliments qu'il contient ont la possibilité de chauffer à une température plus élevée que d'habitude (), et le processus de cuisson est accéléré. C'est à cause de cet effet que l'appareil tire son nom.
Riz. 2. Autocuiseur ()
La situation avec une diminution du point d'ébullition d'un liquide avec une diminution de la pression atmosphérique a également un exemple tiré de la vie, mais ce n'est plus quotidien pour de nombreuses personnes. Cet exemple s'applique aux déplacements des alpinistes en haute montagne. Il s'avère que dans les zones situées à une altitude de 3 000 à 5 000 m, le point d'ébullition de l'eau en raison d'une diminution de la pression atmosphérique est réduit à des valeurs inférieures, ce qui entraîne des difficultés lors de la préparation des aliments lors des randonnées, car pour un traitement thermique efficace des produits dans ce cas, cela prend beaucoup plus de temps que dans des conditions normales. À des altitudes d'environ 7 000 m, le point d'ébullition de l'eau atteint , ce qui rend impossible la cuisson de nombreux produits dans de telles conditions.
Certaines technologies de séparation de substances reposent sur le fait que les points d'ébullition de différentes substances sont différents. Par exemple, si l’on considère le fioul, qui est un liquide complexe composé de nombreux composants, alors pendant le processus d’ébullition, il peut être divisé en plusieurs substances différentes. Dans ce cas, étant donné que les points d'ébullition du kérosène, de l'essence, du naphta et du fioul sont différents, ils peuvent être séparés les uns des autres par vaporisation et condensation à des températures différentes. Ce processus est généralement appelé fractionnement (Fig. 3).
Riz. 3 Séparation de l'huile en fractions ()
Comme tout processus physique, l’ébullition doit être caractérisée à l’aide d’une valeur numérique, cette valeur est appelée chaleur spécifique de vaporisation.
Afin de comprendre la signification physique de cette valeur, considérons l'exemple suivant : prenez 1 kg d'eau et portez-le à ébullition, puis mesurez la quantité de chaleur nécessaire pour évaporer complètement cette eau (sans tenir compte des déperditions thermiques) - cette valeur sera égale à la chaleur spécifique de vaporisation de l'eau. Pour une autre substance, cette valeur calorifique sera différente et sera la chaleur spécifique de vaporisation de cette substance.
La chaleur spécifique de vaporisation s'avère être une caractéristique très importante dans les technologies modernes de production de métaux. Il s'avère que, par exemple, lors de la fusion et de l'évaporation du fer, suivis de sa condensation et de sa solidification, un réseau cristallin se forme avec une structure qui offre une résistance supérieure à celle de l'échantillon d'origine.
Désignation: chaleur spécifique de vaporisation et de condensation (parfois notée ).
Unité de mesure: .
La chaleur spécifique de vaporisation des substances est déterminée à l'aide d'expériences en laboratoire et ses valeurs pour les substances basiques sont répertoriées dans le tableau approprié.
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Substance |
