Cele:

Przeanalizujesz zmiany energii wewnętrznej i temperatury podczas procesów parowania i skraplania.

Dowiesz się od jakich czynników zależy szybkość parowania.

Dowiesz się kiedy zachodzi wrzenie i czym wrzenie różni się od parowania.

 

 

Parowanie

W otaczającej nas rzeczywistości dostrzegamy,  że ciecze mają zdolność do parowania. Pot odparowuje z naszego ciała, mokre ubrania rozwieszone na sznurku wysychają podobnie jak umyty samochód czy kałuża powstała po deszczu.

Da się zauważyć, że proces parowania może zachodzić, albo szybciej, albo wolniej i w różnych temperaturach. Od czego to tak naprawdę zależy? Rozważmy kilka przykładów:

1. Zmywacz do paznokci użyty w temperaturze pokojowej paruje bardzo szybko, a  woda użyta do mycia podłogi również paruje, ale już dużo wolniej. [rozpuszczalnik użyty w zmywaczu wyparowuje szybciej niż woda - zatem szybkość parowania jest różna dla różnych cieczy]

2. Woda pozostała po umyciu dłoni wysycha z nich dość powoli, ale gdy włożymy dłonie do nadmuchu powietrza, proces ten zachodzi znacznie szybciej. Podobnie jest z włosami, mokre włosy wysychają dość powoli, ale przy użyciu suszarki wiejącej nawet chłodnym powietrzem, proces ten można znacząco przyspieszyć. [ruch powietrza przyspiesza parowanie]

3. Wylana na podłogę mała literatka wody wyparowuje dużo szybciej, niż ta sama ilość wody pozostawiona w literatce. [rozlana woda ma większą powierzchnię swobodną, co przyspiesza parowanie]

4. Woda rozlana na ciepłą powierzchnię paruje szybciej niż woda rozlana na chłodną powierzchnię. Ubrania wysychają szybciej w słoneczny dzień, niż w pochmurny. [szybkość parowania zależy od temperatury - wyższa temperatura powoduje szybsze parowanie]

5. W pomieszczeniu o dużej wilgotności powietrza ubrania wysychają wolniej niż w pomieszczeniach o małej wilgotności powietrza [wilgotność powietrza ma wpływ na szybkość parowania -duża wilgotność spowalnia proces parowania]

Czyli jak widać szybkość parowania zależy od wielu czynników:

1. Rodzaju cieczy (wielkości cząsteczek i ich sił spójności),

2. Ruchu powietrza względem powierzchni parującej (powierzchni swobodnej cieczy),

3. Wielkości powierzchni parującej (powierzchni swobodnej cieczy),

4. Temperatury cieczy (wyższa przyspiesza proces parowania),

5. Wilgotności powietrza (wysokie nasycenie powietrza parą spowalnia proces parowania).

 

 

 

Zapamiętaj:

Parowanie – to przejście substancji z fazy ciekłej do fazy gazowej. Polega na odrywaniu się cząsteczek i atomów o największej energii od powierzchni swobodnej cieczy. Aby cząsteczki odparowały z cieczy muszą uzyskać odpowiednią energię. Po odparowaniu, czyli oderwaniu się od cieczy zabierają tą energię ze sobą. Ciecz w procesie parowania ochładza się - traci energię.

Zjawisko parowania zachodzi w każdej temperaturze, w której substancja pozostaje cieczą i zachodzi  na jej powierzchni swobodnej.

W warunkach normalnego ciśnienia woda paruje w zakresie temperatur od 0ºC do 100ºC, przy czym w 100ºC już wrze (gwałtownie paruje w całej swojej objętości)

Para jest substancją bezbarwną.

Zdolność powietrza do wchłaniania pary wodnej zależy od temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej mieści się w powietrzu. Stopień nasycenia powietrza parą nazywa się wilgotnością.

Wilgotność powietrza mierzy się higrometrem.

 

Film: Parowanie wody w temperaturze 32ºC

 

Wrzenie to gwałtowne parowanie cieczy odbywające się w całej jej objętości. Przy stałym ciśnieniu zachodzi w stałej temperaturze - temperaturze wrzenia.

Temperatura wrzenia różnych cieczy jest różna. Wykorzystujemy ten fakt w procesie destylacji.

Alkohol etylowy przy ciśnieniu normalnym 1013hPa wrze w temperaturze 78ºC, a  woda w 100ºC. Dzięki czemu można odparować alkohol z wody.

 

Przykład: Wrzenie wody w temperaturze 100ºC przy ciśnieniu 1 atmosfery.

Powstałe pęcherzyki z parą wodną zgodnie z prawem Archimedesa unoszą się w cieczy ku górze

 

 

Zapamiętaj:

Temperaturę wrzenia można zwiększyć lub zmniejszyć zmieniając ciśnienie cieczy.

Im niższe ciśnienie tym niższa temperatura wrzenia danej cieczy.

 

Przykład: Wrzenie wody przy obniżonym ciśnieniu w temperaturze 80ºC.

Do słoika z wodą podłączamy pompę próżniową, która obniża ciśnienie w jego wnętrzu.

 

 

Im wyższe ciśnienie tym wyższa temperatura wrzenia danej cieczy.

Przykład: Chcąc zmniejszyć czas gotowania potraw musimy zwiększyć temperaturę wrzenia, czyli zwiększyć ciśnienie wewnątrz pojemnika z potrawą. Jak to zrobić?

 

Zadanie (dla tych co chcą wiedzieć więcej):

Wyjaśnij co oznaczają pojęcia: transpiracja  i  ewaporacja.

 

Ciepło parowania

Aby wyparować, cząsteczki cieczy muszą uzyskać odpowiednią energię, aby się od niej oderwać. Po niżej temperatury wrzenia, czerpią tą energię głównie z energii wewnętrznej cieczy, ochładzając ciecz. Natomiast w temperaturze wrzenia, ciecz paruje dzięki  ciepłu dostarczanemu z zewnątrz (np. z palnika kuchenki).

Naturalnym jest, że ilość ciepła Q potrzebna do odparowania cieczy w temperaturze jej wrzenia zależy od masy cieczy m (jest do niej wprost proporcjonalna) i rodzaju cieczy.

Wielkość fizyczna charakteryzująca daną substancję w procesie parowania, to jej ciepło parowania Qp.

Powstaje prosta zależność:

 

Przy czym: Ciepło parowania Qp - to ilość ciepła Q, którą muszę dostarczyć m = 1 kg wrzącej cieczy, aby ją całkowicie wyparować.

 

Przekształcając powyższy wzór otrzymujemy wzór na ciepło parowania Qp

Przykłady:

1. Ciepło parowania wody w warunkach normalnych, czyli przy ciśnieniu p = 1013hPa i w temperaturze wrzenia  wody T = 100º C wynosi Qp = 2 257 000 J/kg [dżuli na kilogram]. Co oznacza, że aby wyparować m = 1 kg wrzącej wody musimy dostarczyć jej 2 257 ooo J ciepła. [To naprawdę duża ilość ciepła]

Wniosek - nikomu nie życzę poparzenia parą wodną ! Skutki mogą być fatalne :(

2. Ciepło parowania etanolu w warunkach normalnych, czyli przy ciśnieniu p = 1013hPa i w temperaturze wrzenia etanolu T = 78º C wynosi  Qp = 879 000 J/kg  [dżuli na kilogram]. Co oznacza, że aby wyparować m = 1 kg wrzącego etanolu musimy dostarczyćmu 879 ooo J ciepła.

 

Doświadczenie: Wyznaczanie ciepła parowania wody za pomocą kalorymetru.

 

 

 

Skraplanie

 Skraplanie lub kondensacja to zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Jest zjawiskiem odwrotnym do parowania.

Skraplanie może zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze. Zestaw parametrów (ciśnienie i temperatura) dla których rozpoczyna się proces skraplania nazywany jest punktem rosy. Ochłodzony gaz oddaje energię, przez co zmniejsza się prędkość jego cząsteczek, a siły przyciągania zbliżają je do siebie. Cząsteczki zaczynają tworzyć zwartą masę - ciecz.

 

 Rosa na pajęczynie i rosa na trawie

 

Uwaga: Ilość ciepła oddanego podczas skraplania jest równa ilości ciepła pobranego w procesie parowania (przy tym samym ciśnieniu i w tej samej temperaturze)

 

Skraplanie pary wodnej - przykłady z kuchni.

 

 

Skroplenie tlenu za pomocą ciekłego azotu oraz ciekawe własności ciekłego tlenu.

Ciekły azot wlewamy do metalowego pojemnika. Tlen zawarty w powietrzu skrapla się na jego ściankach.

 

 

Jako pierwsi na świecie tlen i azot skroplili Polacy - profesorowie Uniwersytetu Jagiellońskiego, Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski w kwietniu 1883 roku - wykorzystując metodę kaskadową.

   

 

Dla tych, co chcą wiedzieć więcej  - zabawy z ciekłym azotem.

SciFun - wizyta w laboratorium fizycznym Kopernika w Warszawie

część 1

 

 

część 2

 

 

Parowanie i skraplanie - przykładowe zadania z rozwiązaniami [link]

 

Życzę miłej pracy.