Пароутворення і конденсація рідин.

Мета.

Навчальна. Ознайомити з процесами випаровування та конденсації рідин. Навчитися пояснювати процес кипіння на основі молекулярно-кінетичної теорії. Ввести поняття питомої теплоти пароутворення.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення, розширити кругозір учнів.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 8 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  
• Відео. Кипіння перегрітої рідини

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Пароутворення і конденсація рідин.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Пароутворення і конденсація рідин.

Пароутворення.

Процес переходу рідини в газоподібний стан називають пароутворенням. 

Є два способи переходу рідини у газоподібний стан: випаровування і кипіння.

а)   б)  

Мал. а) Випаровування рідини з вільної поверхні; б) кипіння рідини.

Випаровування рідин, сублімація. 

Випаровування - це процес пароутворення з вільної поверхні рідини.

Випаровування — природний фізичний процес, обумовлений постійним рухом молекул в рідині.

Механізм випаровування пов'язаний з:

• випадковим виштовхуванням окремих молекул поверхневого шару рідини під дією неперервних безладних поштовхів від сусідніх молекул в ході їх хаотичного теплового руху;
• кінетичною енергією деяких молекул, завдяки якій їм вдається подолати міжмолекулярне притягання.

Ці молекули з силою розганяються і вилітають за поверхню рідини.  За рахунок зменшення в рідині молекул, які мають велику кінетичну енергію, відбувається охолодження рідини.  Саме цю властивість випаровування успішно застосовують в холодильниках та кондиціонерах, а також при наданні першої медичної допомоги для знеболювання при травмах. Прикладом охолоджуючої дії випаровування є ефект замерзання людини, яка щойно вийшла з води у спекотний літній день.

Випаровування відбувається при будь-якій температурі рідини.

Загальне число молекул, що випаровуються за певний проміжок часу з вільної поверхні рідини, завжди більше від загального числа молекул, які за цей час повертаються назад. Так, якщо посудину з рідиною залишити відкритою, то через певний проміжок часу рідина випарується.

Мал. Випаровуванння рідини у відкритій та закритій посудинах.

Дещо інша картина випаровування спостерігається тоді, коли рідина перебуває в закритій посудині і займає лише частину її об'єму. На початку процесу кількість молекул, які вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї, і концентрація молекул пари зростає. Але чим більше стає молекул, які вилетіли з рідини, тим більше їх потрапляє назад у рідину. Нарешті настає такий момент, коли кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повертаються в неї за той самий час. Очевидно, починаючи з цього моменту, концентрація молекул пари буде сталою. Такі умови можливі лише у закритій посудині, або при 100% вологості повітря, наприклад, при утворенні туману.

Швидкість випаровування залежить від:

• природи речовини

Швидкість випаровування залежить від природи речовини, яка випаровується. Так, ефір випаровується швидше за воду, а вода — швидше за олію, що пояснюється різними силами взаємодії між молекулами цих речовин.

• площі вільної поверхні

Інтенсивність випаровування води залежить також і від площі її поверхні. Вода, налита в пляшку з вузьким горлечком буде випаровуватися повільно, тому що молекули, які вилетіли осідатимуть на завужених вгорі стінках пляшки і скочуватимуться назад. А молекули води, що знаходяться в блюдці, безперепонно  залишатимуть рідину.

• температури рідини

Не менш важливим фактором, що впливає на швидкість випаровування рідини, є температура. Як вже говорилося, випаровування відбувається при будь-якій температурі, але з її збільшенням швидкість руху молекул зростає, а отже, кількість молекул, що залишать рідину збільшується.

• наявності потоків повітря біля поверхні рідини

Процес випаровування значно прискориться, якщо над поверхнею, з якої відбувається випаровування, переміщуватимуться повітряні потоки. Чим більша циркуляція повітря, тим менше молекул, що скупчуються біля поверхні рідини, повернуться назад у воду.

• вологості повітря. 

Пароутворення відбувається не лише у рідин, але й у твердих тіл. Як і у рідинах, у твердих тілах завжди присутня деяка кількість молекул, енергія яких достатня для подолання притягання до інших молекул, і які здатні відірватись від поверхні тіла і перейти в навколишній простір.

Сублімація - перехід речовини із твердого стану в газоподібний, оминаючи рідку фазу.

Відомий приклад сублімації — перетворення льоду в пару — мокра білизна висихає на морозі.  

Ще один приклад сублімації був описаний французьким фізиком Д'Араго у першій половині 19-го століття: "Після сильного удару грому у відчинені двері влетіла біло-блакитна куляста маса діаметром 40 см і почала швидко рухатися по кімнаті. Вона підкотилася під табурет, на якому я сидів. І хоча вона була біля моїх ніг, тепла я не відчув. Потім кульова блискавка доторкнулася до батареї і зникла з різким шипінням. Вона оплавила ділянку батареї діаметром 6 мм, залишивши лунку глибиною 2мм".

Особливо інтенсивно сублімація проходить у вакуумі, що використовується у виготовленні дзеркал.

Конденсація та десублімація. У повітрі є багато водяної пари. Коли повітря охолоджується, пара переходить у рідкий стан: утворюються хмари, туман, роса.

Конденсація - процес переходу газу або насиченої пари в рідину внаслідок її охолодження або стиснення.

Щоб конденсація відбулася, пара повинна віддати своє тепло навколишнім тілам. В результаті вона перетвориться в рідину або туман, а навколишні тіла нагріються.

а) б)  в)

Мал. а)-б) Спостереження пари та туману; в) конденсація водяної пари.

Швидкість конденсації залежить від:

• роду рідини;
• наявності центрів конденсації;
• температури.

Конденсація займає важливе місце в ряді процесів, що протікають в навколишньому світі. Вода, випаровуючись з рік, озер, океанів, з рослин (транспірація) вихолоняючи в атмосфері, знову конденсується, в результаті чого утворюються хмари.

а) б)

Мал. а) Кругообіг води в природі; б) Схема переходів речовин з одного агрегатного стану в інший.

Роса на траві та листі з’являється коли насичене вологою повітря доторкається до їх охолодженої поверхні. Конденсація може протікати прямо на очах, якщо винести на повітря в жаркий літній день склянку з льодяною водою. В такому випадку стінки склянки “потіють”. Це відбувається тому, що водяна пара, що знаходиться в повітрі, доторкаючись до холодного скла, конденсується на ньому.

Інколи речовина може переходити з газоподібного стану відразу в твердий. Це відбувається, коли температура навколишнього середовища чи поверхні, на якій конденсується пара, нижча температури замерзання.

Саме цим явищем пояснюється той факт, що під час прогулянки в морозний день на бороді та вусах, за рахунок дихання, з’являється іній, на віконному склі утворюються дивовижні візерунки.

Десублімація – безпосереднє перетворення пари на тверду речовину (процес, зворотний сублімації).

Мал. Спостереження десублімації в природі.

Сніг утворюється, коли мікроскопічні краплини води в хмарах притягуються до пилинок і замерзають. Утворені кристали льоду, що спочатку не перевищують 0,1 мм у діаметрі, падають і ростуть у результаті конденсації на них вологи з повітря.

Якщо в морозну погоду відчинити двері чи вікно вологого і дуже теплого приміщення, то в тих місцях, куди потрапляє холодне повітря, починає йти сніг. Такий випадок описаний 1773 р. в “Санкт-Петербурзьких відомостях”. Зимового вечора в одному з багатих будинків Санкт-Петербурга проходила асамблея (вечір-бал). У приміщенні було дуже багато людей, і стало так жарко і душно, що присутні почали втрачати свідомість. Кватирок у вікнах у той час ще не робили. Один із присутніх шпагою вибив скло у вікні, і ... в усьому приміщенні пішов лапатий сніг.

А причина була в тому, що від дихання багатьох людей утворилася велика кількість водяної пари, і коли через вибите вікно увірвалося холодне повітря, ця пара швидко конденсувалася, утворивши кристалики снігу.

3. Запитання до уроку.

Запитання 18.1. Що таке пароутворення? Які способи переходу рідини у газоподібний стан ви знаєте?

Запитання 18.2. Дайте визначення випаровуванню. Поясніть механізм випаровування рідин.

Запитання 18.3. Чим відрізняється процес випаровування рідини у відкритій та закритій посудинах?

Запитання 18.4. Від яких факторів залежить швидкість випаровування рідин?

Запитання 18.5. Що називають конденсацією? Від чого залежить швидкість конденсації?

Запитання 18.6. Чому, коли людина виходить з річки після купання, відчуває холод?

Запитання 18.7. Чому, якщо склянку з водою накрити паперовою серветкою, то через деякий час вона стане трохи вологою.

Запитання 18.8. Чому після миття підлоги у кімнаті відчувається прохолода?

Запитання 18.9. Знайдіть зайве слово. Відповідь обгрунтуйте.

4. Домашнє завдання.

Підручник: §13.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Якого кольору туман? Вологою зимою дні часто бувають туманними. Прийнято вважати, що туман має сірий колір, проте це не завжди так.

Французький художник Клод Моне, приїхавши в Лондон, написав картину “Вестмінстерське абатство”. Лондонці були вражені, коли побачили картину. На катрині туман, з якого ледь виступали нариси абатства, був багрового кольору. Спочатку це викликало обурення місцевих жителів. Та коли вони вийшли на вулицю і уважно придивилися до туману, з’ясувалося, що дійсно він має багровий відтінок. Про цей випадок  написав К. Паустовський у своїй книзі “Золота троянда”.