Теоретическая справка
Парообразование — процесс перехода жидкости в пар (газ).
Различают два вида парообразования: испарение и кипение. Испарением называется парообразование происходящее с поверхности жидкости. При испарении, самые быстрые молекулы, оказавшиеся у поверхности жидкости, обладают необходимой кинетической энергией, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул и покидают ее. В связи с этим, при испарении должна уменьшаться внутренняя энергия самой жидкости, если при этом нет притока тепла из вне, то температура жидкости уменьшается. Поскольку тепловое движение молекул никогда не прекращается, то при любой температуре всегда найдутся достаточно быстрые молекулы, чтобы покинуть жидкость. Это означает, что испарение происходит при любой температуре. На скорость испарения существенное влияние оказывают следующие факторы:
- температура жидкости (чем выше температура, тем интенсивнее испаряется жидкость);
- род жидкости (быстрее испаряется та жидкость, молекулы которой притягиваются друг к другу с меньшей силой; жидкости, которые легко испаряются — спирт, эфир);
- площадь поверхности жидкости (чем больше площадь поверхности жидкости, тем быстрее испаряется жидкость);
- плотность паров жидкости над ее поверхностью (чем меньше плотность пара над поверхностью жидкости, тем интенсивнее испарение);
- поток воздуха над жидкостью/ветер (при испарении молекулы водяного пара могут возвращаться обратно в жидкость, ветер уносит вылетевшие молекулы и они не могут вернуться обратно).
Кипение — процесс парообразования, распространенный по всему объему жидкости. Механизм кипения: в жидкостях всегда есть пузырьки воздуха в которых содержится водяной пар. Жидкость испаряется внутрь пузырьков воздуха, вследствие чего они увеличиваются в размерах. Со временем, сила Архимеда, действующая на пузырек становится больше, чем сила тяжести, действующая на него, пузырек начинает подниматься вверх и лопается. Жидкость кипит при определенной температуре, которая называется температура кипения.
Температура кипения зависит от рода жидкости и внешних факторов, например, атмосферного давления или давления газа над поверхностью жидкости в закрытом сосуде. Чем меньше давление над жидкостью, тем меньше температура кипения. Во время кипения температура жидкости не меняется.
Для того чтобы происходило кипение жидкости необходим постоянный приток тепла. Это количество теплоты идёт на образование пара. Количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы полностью превратить жидкость массой $m$ в пар при температуре кипения находится по формуле
$Q=Lm$,
где $L$ — удельная теплота парообразования. Удельная теплота парообразования показывает какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры. Единица измерения — Дж/кг (джоуль на килограмм).
Конденсация — процесс перехода пара в жидкость. При конденсации пара он отдает то же количество теплоты, что пошло на его образование. Количество теплоты, которое выделяет пар массой $m$, конденсируясь при температуре кипения, определяется по формуле
$Q=-Lm$.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. Ниже приведена таблица значений температуры воды при её нагревании в сосуде в определённые моменты времени. Мощность нагревателя постоянна.
| Время, мин. | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Температура, °С | 20 | 50 | 80 | 100 | 100 | 100 | 105 | 110 |
Из предложенного перечня утверждений выберите два правильных. Укажите их номера.
1) Через 6 мин. от начала нагревания вся вода находилась в газообразном состоянии.
2) Удельная теплоёмкость воды в жидком состоянии равна удельной теплоёмкости в газообразном состоянии.
3) В течение 3–5 мин. часть воды находилась в жидком состоянии, часть – в газообразном состоянии.
4) В промежутке времени 3–5 мин. внутренняя энергия пара не изменялась.
5) Можно утверждать, что момент времени 3 мин. соответствует началу процесса кипения воды.
Утверждение 1 — верно. Пока жидкость кипит ее температура не меняется. Согласно данным таблицы, в момент времени 6 минут, температура увеличивается, значит вся вода выкипела и происходит нагревание пара. Утверждение 2 — неверно. При одинаковой мощность нагревания изменение температуры разное, значит и теплоемкость жидкой воды и пара различны. Утверждение 3 — верно. В указанный промежуток времени происходит кипение жидкости с образованием пара, т.е. часть воды находится в жидком состоянии, часть — в газообразном. Утверждение 4 — неверно. В указанный промежуток времени внутренняя энергия пара увеличивается. Утверждение 5 — неверно. В таблице указаны промежуточные значения температур, при этом температура воды за равные промежутки времени увеличивается одинаково, поэтому температуры кипения вода должна достигнуть раньше, чем в момент времени 3 минуты. Ответ: 13
2. В открытом сосуде уровень жидкости понизился. Если приток тепла к жидкости извне отсутствует, то как изменились температура и средняя кинетическая энергия молекул жидкости?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Температура | Средняя кинетическая энергия молекул |
Уровень жидкости понизился, потому что жидкость испарилась. При испарении жидкости в отсутствии внешнего притока тепла ее температура уменьшается. При уменьшении температуры средняя кинетическая энергия молекул уменьшается. Ответ: 22
3. В процессе кипения вода превращается в пар. Как при этом изменяется температура и внутренняя энергия системы вода – пар? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Температура | Внутренняя энергия |
В процессе кипения температура жидкости не изменяется, а внутренняя энергия увеличивается за счет энергии, поглощаемой при кипении жидкости. Ответ: 31
4. На одну чашу весов поставили блюдце с горячей водой, а на другую — уравновешивающие её гири. Сохранится ли с течением времени это равновесие? Ответ поясните.
Ответ: равновесие не сохранится. Пояснение. Вода будет испаряться из блюдца с горячей водой, ее масса будет уменьшаться — равновесие нарушится.
5. Для исследования процесса испарения жидкостей при комнатной температуре в различные сосуды цилиндрической формы, находящиеся в одном помещении при одинаковых условиях, налили воду или эфир различного объёма (см. рисунок). Далее измеряли время испарения жидкости из каждого сосуда. Эфир из сосуда 3 испарился быстрее, чем вода из сосуда 4. Можно ли на основании этого наблюдения сделать вывод, что скорость испарения эфира больше скорости испарения воды? Ответ поясните.
Ответ: да, можно. Пояснение. Сравним массы эфира и воды, зная что плотность эфира $\rho _3=710$ кг/м3, а плотность воды $\rho _4=1000$ кг/м3 $\frac{m_3}{m_4}=\frac{\rho _3 V_3}{\rho _4 V_4}=\frac{710 \cdot 300}{1000 \cdot 200}=1,065$. Масса эфира больше, чем масса воды. Поскольку за одно и то же время испаряется большая масса эфира, то скорость испарения эфира больше.
6. В электрочайнике с сопротивлением нагревательного элемента 12,1 Ом находится некоторая масса воды при 20 °С. Электрочайник включили в сеть с напряжением 220 В и забыли выключить. Какова масса воды, находившейся в чайнике, если при КПД, равном 60%, через 11 мин. вода полностью выкипела?
Дано: сопротивление нагревательного элемента чайника — $R=12,1$ Ом; начальная температура воды — $t_1=20$ °С; температура кипения воды — $t_2=100$ °С; удельная теплоемкость воды — $c=4200$ Дж/кг·°С; удельная теплота парообразования — $L=2300000$ Дж\кг напряжение в сети — $U=220$ В; время работы плитки — $\tau=660$ с; КПД плитки — $\eta =0,6$. Найти: массу воды — $m$. Решение. Количество теплоты, которая получает вода при нагревании $Q_1=cm (t_2-t_1)$. Количество теплоты, которое получает вода при кипении и превращении в пар $Q_2=Lm$. При работе нагревается выделяется количество теплоты $Q=\frac{U^2\tau}{R}$. Так как КПД процесса 60%, то справедливы равенства $Q_1+Q_2=\eta Q$, $cm (t_2-t_1)+Lm=\frac{\eta U^2\tau}{R}$, $m (c(t_2-t_1)+L)=\frac{\eta U^2\tau}{R}$, $m =\frac{\eta U^2\tau}{R(c(t_2-t_1)+L)}$, $m =\frac{0,6 \cdot 220^2 \cdot 660}{12,1 \cdot (4200 \cdot (100-20)+2300000)} \approx 0,67$ кг. Ответ: в чайнике содержалось примерно 0,67 кг воды.
7. Жидкости при испарении охлаждаются. Причиной этого является
1) вылет из жидкости преимущественно наиболее быстрых молекул
2) потеря энергии на расширение пара
3) переход части кинетической энергии молекул в потенциальную в земном поле сил тяжести
4) теплообмен жидкости с окружающей средой
Причиной уменьшения температуры жидкости при испарении является уменьшение внутренней энергии жидкости вследствие вылета из жидкости наиболее быстрых молекул. Ответ: 1
8. На рисунке приведены графики зависимости температуры t от времени τ двух веществ одинаковой массы, находившихся первоначально в жидком состоянии, получающих одинаковое количество теплоты в единицу времени.
Из приведённых ниже утверждений выберите два верных и запишите их номера.
1) Вещество 1 полностью переходит в газообразное состояние, когда начинается кипение вещества 2.
2) Удельная теплоёмкость вещества 1 в жидком состоянии больше, чем вещества 2.
3) Удельная теплота кипения вещества 1 больше, чем вещества 2.
4) Температура кипения вещества 1 выше, чем вещества 2.
5) В течение промежутка времени 0–τ1 оба вещества находились только в жидком состоянии.
Утверждение 1 — верно. Видно, что к моменту времени τ1 кипение вещества 1 прекратилось, значит вся жидкость испарилась, а вещество 2 в момент времени – τ1 только начинает кипеть. Утверждение 2 — неверно. Жидкость 1 нагревается быстрее, значит ее удельная теплоемкость меньше, чем удельная теплоемкость жидкости 2. Утверждение 3 — неверно. Кипение жидкости 2 длится дольше по времени, значит на полное превращение жидкости 2 в пар требуется большее количество теплоты. Это означает, что удельная теплота кипения вещества 2 больше, чем вещества 1. Утверждение 4 — верно. Видно, что кипение жидкости 1 начинается при более высокой температуре. Утверждение 5 — неверно. В указанном промежутке времени жидкость 1 находилась, в том числе, в газообразном состоянии. Ответ: 14
9. Что обжигает кожу сильнее: вода или водяной пар одинаковой массы при одной и той же температуре? Ответ поясните.
Ответ: пар обжигает сильнее. Пояснение. Кипяток, попавший на кожу, охлаждается выделяя энергию, эта энергия поглощается кожей, что приводит к ожогу. Пар, попавший на поверхность кожи, сначала конденсируется, а затем получившаяся вода охлаждается, освободившаяся энергия также идет на нагревание кожи. Энергия, выделяющаяся при конденсации и последующем охлаждении воды намного больше, чем энергия, выделяющаяся при охлаждении кипятка, несмотря на меньшую массу пара. Поэтому пар обжигает кожу сильнее.
10. В какую погоду — тихую или ветреную — человек переносит мороз легче? Ответ поясните.
Ответ: в тихую погоду мороз переносится легче. Пояснение. Ощущение большего или меньшего холода связано с интенсивностью передачи тепла телом в окружающую среду. В ветреную погоду от лица (от тела) за одно и то же время отнимается гораздо больше тепла, нежели в тихую погоду. В тихую погоду образующийся у поверхности тела слой тёплого влажного воздуха не так быстро сменяется новой порцией холодного воздуха.
11. Два одинаковых сосуда наполнены молоком. Первый сосуд накрыли сухой марлевой салфеткой, а второй сосуд накрыли марлевой салфеткой, края которой опустили в воду. В каком сосуде молоко дольше не прокиснет в жаркий день? Ответ поясните.
Ответ: в сосуде накрытой марлей, концы которой опущены в воду. Пояснение. В процессе испарения температура влажной салфетки уменьшается, это будет дополнительно охлаждать молоко и оно дольше не скиснет.
12. Какое количество теплоты выделится при конденсации 2 кг водяного пара, взятого при температуре 100 ºС, и последующего охлаждения воды до 40 ºС при нормальном атмосферном давлении?
Удельная теплота парообразования (конденсации) водяного пара $L=2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг. Удельная теплоемкость воды $c=4200$ Дж/кг·°С. При конденсации пара выделится энергия $Q_1=-Lm$, $Q_1=-2,3 \cdot 10^6 \cdot 2= -4,6 \cdot 10^6$ Дж. При охлаждении образовавшейся воды от температуры $t_1=100$ °С до температуры $t_1=40$ °С выделится энергия $Q_2=cm(t_2-t_1)$, $Q_2=4200 \cdot 2 \cdot (40-100)=504000$ Дж. Всего выделится энергии $Q=Q_1+Q_2$, $Q=-4600000-504000=-5104000$ Дж (знак минус указывает на то, что энергия выделяется). Ответ: 5104000 Дж.
13. Теплее или холоднее воздуха кажется вам вода, когда, искупавшись в жаркий день, вы выходите из нее? Ответ поясните.
Ответ: вода кажется теплее. Пояснение. Капли воды, интенсивно испаряясь с поверхности мокрого тела, приводят к охлаждению тела. Из-за этого воздух кажется холоднее.
14. В процессе конденсации пар превращается в воду. Как при этом изменяются средняя кинетическая энергия молекул пара и внутренняя энергия системы вода – пар?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Средняя кинетическая энергия молекул пара | Внутренняя энергия системы вода – пар |
При конденсации пара происходит переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При конденсации температура не изменяется. Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул жидкости будет равна, средней кинетической энергии теплового движения молекул газа при той же температуре. При конденсации происходит выделение энергии, в результате чего внутренняя энергия системы уменьшается. Ответ: 22
15. При нагревании вода превращается в пар той же температуры. При этом
1) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
2) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
3) уменьшается среднее расстояние между молекулами
4) увеличивается среднее расстояние между молекулами
При конденсации пара, объем образующейся воды, меньше объема пара, но масса воды равна массе конденсированного пара. Уменьшение объема обусловливается уменьшением расстояний между молекулами воды (по сравнению с расстоянием молекул в паре). Скорость движения молекул остается прежней, так как при конденсации температура системы вода-пар остается неизменной, а температура – это показатель скорости движения молекул. Ответ: 3
16. В трёх открытых сосудах находится вода при разной температуре: температура воды равна в первом сосуде 0 оС, во втором сосуде 25 оС, в третьем сосуде 100 оС. Испарение воды будет происходить
1) только в третьем сосуде
2) только в первом сосуде
3) в третьем и во втором сосудах
4) во всех сосудах
Жидкость испаряется при любой температуре, значит испарение воды будет происходить во всех трех сосудах. Ответ: 4
17. Удельная теплота парообразования эфира равна 4⋅105 Дж/кг. Это означает, что
1) в процессе конденсации 1 кг паров эфира, взятого при температуре кипения, выделяется количество теплоты 4⋅105 Дж
2) для конденсации 1 кг паров эфира, взятого при температуре кипения, требуется количество теплоты 4⋅105 Дж
3) в процессе конденсации 4⋅105 кг паров эфира, взятого при температуре кипения, выделяется количество теплоты 1 Дж
4) для конденсации 4⋅105 кг эфира, взятого при температуре кипения, требуется количество теплоты 1 Дж
Удельная теплота парообразования показывает какое количество теплоты необходимо затратить чтобы полностью превратить 1 кг жидкости в пар при температуре кипения. Такое же количество теплоты будет выделяться при конденсации 1 кг пара при температуре кипения. Ответ: 1
18. На рисунке приведён график зависимости температуры t воды от времени τ при нормальном атмосферном давлении.
Какое из утверждений является неверным?
1) Участок АБ соответствует процессу нагревания воды.
2) В процессе, соответствующем участку ЕЖ, внутренняя энергия воды уменьшается.
3) Точка Е соответствует твёрдому состоянию воды.
4) В процессе, соответствующем участку БВ, внутренняя энергия системы вода–пар увеличивается.
В точке Е вода находится в жидком состоянии. Ответ: 3
19. На диаграмме для образцов одинаковой массой из двух веществ приведены значения количества теплоты, необходимого для их перехода из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения. Во сколько раз удельная теплота парообразования второго вещества больше удельной теплоты парообразования первого вещества?
На превращение второй жидкости в пар при температуре кипения требуется количество теплоты в два раза больше, чем на превращение в пар первой жидкости при температуре кипения. Значит удельная теплота парообразования второй жидкости в два раза больше, чем удельная теплота парообразования первой жидкости. Ответ: 2
20. На рисунке приведён график зависимости температуры t воды от времени τ, полученный при равномерном непрерывном нагревании. Начальная температура воды 50 °С. В каком состоянии находится вода в момент времени τ1?
1) только в газообразном
2) только в жидком
3) частично – в жидком состоянии; частично – в газообразном
4) частично – в жидком состоянии; частично – в кристаллическом
При температуре 100°С температура жидкости не изменяется, это говорит о том, что жидкость кипит. При этом происходит ее переход из жидкого состояния в газообразное. В промежуточный момент времени τ1 вода находится частично – в жидком состоянии; частично – в газообразном. Ответ: 3
21. В два одинаковых цилиндрических сосуда налили равное количество воды и эфира, находящихся при комнатной температуре (см. рисунок). В результате наблюдений было отмечено, что эфир испарился в несколько раз быстрее, чем вода.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Процесс испарения воды можно наблюдать при комнатной температуре.
2) Скорость испарения жидкости увеличивается с увеличением её температуры.
3) Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности.
4) Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости.
5) При наличии ветра испарение воды происходит быстрее.
Утверждение 1 — верно. Испарение воды и эфира происходит при комнатной температуре. Утверждение 2- неверно. В процессе наблюдения температуру жидкостей не меняли. Утверждение 3 — неверно. Испарение происходило с поверхностей одинаковой площади. Утверждение 4 — верно. Эфир испаряется быстрее воды. Утверждение 5 — неверно. В данных условиях ветер не наблюдается. Ответ: 14
22. Какой(-ие) из следующих опытов Вы предложили бы провести, чтобы доказать, что температура кипения воды зависит от атмосферного давления?
А. Провести измерения температуры кипения воды на уровне моря и по мере подъёма в горы.
Б. Провести измерения температуры кипения воды на уровне моря и по мере погружения в батисфере в морские глубины.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Для определения зависимости температуры кипения воды от атмосферного давления нужно измерить температуру кипения при разных атмосферных давлениях. Это можно сделать, если замерять температуру кипения сначала на уровне моря, а затем, по мере подъема в горы, так как атмосферное давление падает по мере увеличения высоты. Провести такие измерения в батискафе не получится, так как давление в батискафе поддерживается постоянным. Ответ: 1
23. Чему равно количество теплоты, которое необходимо сообщить 100 г воды, взятой при температуре 0 ºС, для того, чтобы нагреть её до температуры кипения и полностью испарить?
Удельная теплота парообразования (конденсации) водяного пара $L=2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг. Удельная теплоемкость воды $c=4200$ Дж/кг·°С. При нагревании воды от температуры $t_1=0$ °С до температуры $t_1=100$ °С поглощается энергия $Q_1=cm(t_2-t_1)$, $Q_1=4200 \cdot 0,1 \cdot (100-0)=42000$ Дж. При превращении воду в пар при температуре кипения потребуется энергия $Q_1=Lm$, $Q_2=2,3 \cdot 10^6 \cdot 0,1=230000$ Дж. Всего потребуется энергии $Q=Q_1+Q_2$, $Q=42000+230000=272000$ Дж. Ответ: 272000 Дж.
24. В две одинаковые чашки налили одинаково горячий кофе, только в первой чашке кофе чёрный, а во второй кофе со сливками высокой жирности. В какой из чашек кофе будет остывать быстрее? Ответ поясните.
Ответ: черный кофе будет остывать быстрее. Пояснение. Испарение кофе в чашках происходит за счет теплообмена с окружающей средой и испарения (при испарении температура жидкости уменьшается). Жир, плавающий на поверхности кофе, будет препятствовать испарению, значит такой кофе будет охлаждаться медленнее.
25. Испарение и кипение – два процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Общей характеристикой этих процессов является то, что оба они
А. представляют собой процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.
Б. происходят при определённой температуре.
Правильным(-и) является(-ются) утверждение(-я)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
И испарение, и кипения являются процессами парообразования — перехода вещества из жидкости в пар (газ). В отличии от кипения, которое происходит при определенной температуре, испарение происходит при любой температуре. Ответ: 1.
26. В закрытой кастрюле находятся вода и водяной пар такой же массы при температуре 100 °С. Внутренняя энергия воды
1) равна внутренней энергии пара
2) больше внутренней энергии пара
3) меньше внутренней энергии пара
4) равна нулю
Водяной пар при той же температуре что и его жидкость, той же массы, будет обладать большей внутренней энергией. Ответ: 3
27. Вывод о том, что скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности, можно сделать на основе следующего наблюдения:
1) вода, налитая в блюдце, оставленное в тёплом помещении, испаряется быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан, поставленный в холодильник
2) вода, налитая в стакан, стоящий на столе в тёплой комнате, испаряется медленнее, чем вода такой же массы и температуры, налитая в блюдце, стоящее в той же комнате
3) эфир, налитый в блюдце, стоящее в тёплой комнате, испаряется быстрее, чем вода такой же массы, налитая в стакан, поставленный в холодильник
4) эфир, налитый в блюдце, поставленное на ветру, испаряется быстрее, чем эфир такой же массы, налитый в стакан, поставленный в защищённом от ветра месте при одинаковой температуре
Чтобы получить требуемый вывод нужно, чтобы условия наблюдений отличались лишь площадью поверхности жидкости. Этому положению соответствует наблюдение за испарением воды, налитой в стакан, стоящий на столе в тёплой комнате и воды такой же массы и температуры, налитой в блюдце, стоящее в той же комнате. Ответ: 2
28. На рисунке приведён график зависимости температуры t воды от времени τ при нормальном атмосферном давлении.
Какое из утверждений является неверным?
1) Участок БВ соответствует процессу кипения воды.
2) В процессе, соответствующем участку ДЕ, внутренняя энергия системы вода – пар уменьшается.
3) Участок ЕЖ соответствует процессу охлаждения воды.
4) В процессе, соответствующем участку БВ, внутренняя энергия системы вода – пар не изменяется.
На участке БВ происходит кипение жидкости — внутренняя энергия системы пар-вода увеличивается. Ответ: 4
29. В сосуде под поршнем первоначально находятся только пары спирта. На рисунке приведён график зависимости температуры спирта от времени при его дальнейшем равномерном охлаждении. Какая точка графика соответствует окончанию процесса конденсации спирта?
1) А
2) Б
3) В
4) Г
При конденсации температура не изменяется. Конденсации соответствует участок графика БВ. Окончание процесса конденсации соответствует точке В. Ответ: 3
30. При конденсации пара, взятого при температуре 100 °С, и последующего охлаждения воды до 40 °С выделяется количество теплоты 5104 кДж. Чему равна масса пара?
Удельная теплота парообразования (конденсации) водяного пара $L=2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг. Удельная теплоемкость воды $c=4200$ Дж/кг·°С. При конденсации и охлаждении выделяется количество теплоты $Q=-5104000$Дж. При конденсации пара выделится энергия $Q_1=-Lm$, При охлаждении образовавшейся воды от температуры $t_1=100$ °С до температуры $t_1=40$ °С выделится энергия $Q_2=cm(t_2-t_1)$, Всего выделится энергии $Q=Q_1+Q_2$ или $Q=-Lm+cm(t_2-t_1)$. Выразим отсюда массу пара $Q=m(c(t_2-t_1)-L)$, $m=\frac{Q}{c(t_2-t_1)-L}$, $m=\frac{-5104000}{4200 \cdot (40-100)-2300000}=2$ кг Ответ: 2 кг.
31. Кружка с водой плавает в кастрюле с водой. Закипит ли вода в кружке, если кастрюлю поставить на огонь? Ответ поясните.
Ответ: вода в кружке не закипит. Пояснение: вода в кружке нагреется до температуры кипения (100°С), получая тепло от более горячей воды в кастрюле. Далее вода в кастрюле закипит, получая непрерывный приток тепла от более нагретого тела (нагретого пламенем дна кастрюли). Вода в кружке кипеть не будет, так как не будет притока тепла, необходимого для парообразования, из-за отсутствия перепада температур.
32. В жарких странах для охлаждения воды её обычно содержат в сосудах с пористыми стенками из необожжённой глины. На каком явлении основано охлаждение воды в таком сосуде?
1) испарение воды
2) явление смачивания
3) конденсация водяного пара
4) диффузия
Стенки сосуда пористые, через них может происходить испарение жидкости. Ответ: 1
33. На рисунке приведен график зависимости температуры спирта от времени при его нагревании и последующем охлаждении. Первоначально спирт находился в жидком состоянии. Какой участок графика соответствует процессу кипения спирта?
1) АВ
2) ВС
3) СD
4) DE
При кипении температура жидкости не меняется. Этому процессу соответствует участок графика ВС. Ответ: 2
34. В одинаковые калориметры налили одинаковое количество воды и эфира, первоначальная температура которых равна 25ºС. Будут ли отличаться (и если будут, то как) показания термометров в воде и эфире через некоторое время? Ответ поясните.
Ответ: Температура в калориметре с эфиром будет ниже. Пояснение. Известно, что при испарении температура жидкости уменьшается. Эфир и вода будут испаряться, поэтому их температура будет уменьшаться. Эфир испаряется гораздо быстрее, чем вода, поэтому его температура будет понижаться быстрее, чем у воды.
35. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: m – масса; Q – количество теплоты; t – температура.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| ФОРМУЛЫ | ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| А) $\frac{Q}{m(t_2-t_1)}$
Б) $\frac{Q}{m}$ |
1) количество теплоты, необходимое для плавления тела 2) количество теплоты, необходимое для нагревания тела 3) удельная теплота парообразования жидкости 4) удельная теплоёмкость вещества |
Первая формула используется для расчета удельной теплоемкости вещества. Вторая формула выражает удельную теплоту парообразования жидкости. Ответ: 43
36. Какое количество теплоты необходимо для превращения 500 г воды, взятой при температуре 0 °С, в стоградусный пар? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.
Удельная теплота парообразования (конденсации) водяного пара $L=2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг. Удельная теплоемкость воды $c=4200$ Дж/кг·°С. При нагревании воды от температуры $t_1=0$ °С до температуры $t_1=100$ °С поглощается энергия $Q_1=cm(t_2-t_1)$, $Q_1=4200 \cdot 0,5 \cdot (100-0)=210000$ Дж. При превращении воду в пар при температуре кипения потребуется энергия $Q_1=Lm$, $Q_2=2,3 \cdot 10^6 \cdot 0,5=1150000$ Дж. Всего потребуется энергии $Q=Q_1+Q_2$, $Q=210000+1150000=1360000$ Дж. Ответ: 1360000 Дж.
37. Используя стакан с горячей водой, термометр и часы, учитель на уроке провёл опыты по исследованию температуры остывающей воды с течением времени. Результаты измерений он занёс в таблицу.
| t, оС | 72 | 62 | 55 | 50 | 46 |
| τ, мин. | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих проведённым опытам. Укажите их номера.
1) Остывание воды наблюдалось до 46 оС.
2) За первые 5 мин. вода остыла на столько же градусов, на сколько и за следующие 5 мин.
3) Температура остывающей воды прямо пропорциональна времени наблюдения.
4) По мере остывания скорость испарения уменьшается.
5) Чем больше разница между температурой воды и температурой воздуха в комнате, тем скорость остывания выше.
Утверждение 1 — верно. Конечная температура воды по результатам измерений равна 46 оС. Утверждение 2- неверно. За первые 5 минут вода остыла на 10 оС, а за следующие 5 минут на 7 оС. Утверждение 3 — неверно. Температура воды не увеличивается, а уменьшается. Утверждение 4 — неверно. По данным таблицы невозможно судить о скорости испарения. Утверждение 5 — верно. По мере остывания жидкости скорость ее охлаждения уменьшается. Ответ: 15
38. В два сосуда налили равное количество воды, находящейся при комнатной температуре (см. рисунок). В результате наблюдений было отмечено, что вода во втором сосуде испарилась быстрее.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Процесс испарения воды происходит при комнатной температуре.
2) Скорость испарения жидкости увеличивается с увеличением её температуры.
3) Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности.
4) Скорость испарения жидкости зависит от вида жидкости.
5) При наличии ветра испарение воды происходит быстрее.
Утверждение 1 — верно. Испарение воды происходит при комнатной температуре. Утверждение 2- неверно. В процессе наблюдения температуру жидкостей не меняли. Утверждение 3 — верно. Испарение происходило с поверхностей разной площади, при этом, в сосуде с большей площадью поверхности, вода испарилась быстрее. Утверждение 4 — неверно. В наблюдении была использована одна и та же жидкость. Утверждение 5 — неверно. В данных условиях ветер не наблюдается. Ответ: 13
39. Зимой на окнах квартир появляются красивые ледяные узоры из инея. Появится ли иней на окне при открытой форточке? Ответ поясните.
Ответ: иней образовываться на окне не будет. Пояснение. Причина появления инея ледяных узоров на окнах — высокая влажность и медленное охлаждение стекол. Как правило воздух в помещении имеет высокую влажность, если этот воздух приближается к окну, то он охлаждается. Водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным при достижении температуры, которая называется точка росы, при дальнейшем охлаждении происходит его конденсация и кристаллизация образовавшейся воды на стеклах. Если открыть форточку, то теплый воздух из помещения будет выходить в окружающую среду (улицу). Вместе с ним будет покидать помещение и водяной пар, находящийся в нем. С улицы же, напротив, в помещение будет попадать холодный, но в то же время более сухой воздух. Это приведет к уменьшению температуры в помещении и уменьшению влажности воздуха в нем. Точка росы для такого воздуха сместится в область более низких температур и поэтому конденсации пара и последующей кристаллизации воды на стеклах не происходит.
40. На диаграмме для двух веществ одинаковой массы приведены значения количества теплоты, необходимого для их превращения из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения. Сравните удельную теплоту парообразования L1 и L2 этих веществ.
1) L1 = 0,5 L2
2) L1 = L2
3) L1 = 1,5 L2
4) L1 = 2 L2
Поскольку количество теплоты необходимое для превращения второй жидкости в пар при температуре кипения больше в два раза, чем количество теплоты необходимое для превращения первой жидкости в пар при температуре кипения, то удельная теплота парообразования второй жидкости больше в два раза, чем удельная теплота парообразования первой жидкости. Ответ: 1
41. В таблице приведены экспериментальные данные зависимости температуры кипения раствора этилового спирта в воде от внешнего давления.
| Давление, мм рт. ст. | Температура кипения, оС |
| 100 | 34,2 |
| 150 | 42,0 |
| 200 | 47,8 |
| 400 | 62,8 |
| 760 | 78,2 |
| 1100 | 87,8 |
| 1450 | 95,3 |
Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих данным таблицы. Укажите их номера.
1) Температура кипения зависит от внешнего давления.
2) Температура кипения раствора не зависит от его химического состава.
3) Температура кипения обратно пропорциональна внешнему давлению.
4) При нормальном атмосферном давлении температура кипения раствора больше температуры кипения воды.
5) При нормальном атмосферном давлении температура кипения раствора равна 78,2 оС.
Утверждение 1 — верно. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается. Утверждение 2- неверно. В данном эксперименте не прослеживается зависимость температуры кипения от химического состава. Утверждение 3 — неверно. Температура кипения не убывает, а возрастает при увеличении давления. Утверждение 4 — неверно. Температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм. рт. ст.) равна 100 оС, что больше, чнм температура кипения раствора. Утверждение 5 — верно. При нормальном атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.) температура кипения раствора равна 78,2 оС. Ответ: 15
42. Две жидкости одинаковой массы, имеющие одинаковую начальную температуру 20 оС, нагревают в одинаковых сосудах на одинаковых горелках (см. рисунок). В некоторый момент времени измеряют температуру жидкостей 1 и 2 и получают значения температур соответственно 40 оС и 50 оС.
Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующих экспериментальным наблюдениям. Укажите их номера.
1) За время наблюдения изменение температуры второй жидкости в 1,5 раза превышает изменение температуры первой жидкости.
2) Удельная теплоёмкость второй жидкости больше удельной теплоёмкости первой жидкости.
3) Температура кипения второй жидкости меньше температуры кипения первой жидкости.
4) В процессе эксперимента испарение первой жидкости происходило более интенсивно.
5) В процессе эксперимента оба сосуда с жидкостями получили одинаковое количество теплоты.
Утверждение 1 — верно. Изменение температуры первой жидкости — 20оС, а второй — 30оС, что в 1,5 раза больше. Утверждение 2- неверно. При сообщении жидкостям одинакового количества теплоты за одно и то же время (жидкости нагреваются на одинаковых горелках), вторая жидкость нагревается сильнее, значит ее удельная теплоемкость меньше, чем у первой. Утверждение 3 — неверно. О кипении жидкостей в данном эксперименте не сказано ничего, значит судить о температуре кипения жидкостей мы не можем. Утверждение 4 — неверно. Об испарении жидкостей в данном эксперименте не сказано ничего, значит судить о скорости испарения жидкостей мы не можем. Утверждение 5 — верно. Жидкости нагреваются на одинаковых горелках, значит за одно и то же время они получат одинаковое количество теплоты. Ответ: 15
43. Для определения удельной теплоты парообразования вещества требуется знать количество энергии, необходимой для превращения вещества из жидкого состояния в газообразное, и
А. массу вещества
Б. температуру кипения вещества
Верным утверждением является
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Для определения удельной теплоты парообразования необходимо знать какое количество теплоты будет сообщено жидкости массой $m$ при ПОСТОЯННОЙ температуре (необязательно температуре кипения) для ее полного превращения в пар. Ответ: 1
44. При конденсации 20 г паров спирта при его температуре кипения и при последующем охлаждении выделяется количество теплоты 20400 Дж. На сколько градусов изменится температура спирта после конденсации паров?
Удельная теплота парообразования (конденсации) спирта $L=9 \cdot 10^5$ Дж/кг. Удельная теплоемкость спирта $c=2400$ Дж/кг·°С. При конденсации и охлаждении выделяется количество теплоты $Q=-20400$Дж. При конденсации пара выделится энергия $Q_1=-Lm$, При охлаждении образовавшегося спирта выделится энергия $Q_2=-cm \Delta t$, Всего выделится энергии $Q=Q_1+Q_2$ или $Q=-Lm-cm \Delta t$. Выразим отсюда изменение температуры $Q+Lm=-cm\Delta t$, $\Delta t=-\frac{Q+Lm}{cm}$, $m=-\frac{-20400+900000 \cdot 0,02}{2400 \cdot 0,02}=50$ °С Ответ: 50 °С.
45. На графике приведены экспериментальные данные зависимости температуры кипения воды от давления воздуха над её поверхностью.
Из предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующие данным графика. Укажите их номера.
1) Температура кипения увеличивается с увеличением внешнего давления.
2) При нормальном атмосферном давлении температура кипения воды равна 100оС.
3) Температура кипения прямо пропорциональна внешнему давлению.
4) При увеличении внешнего давления в 8 раз от нормального атмосферного температура кипения увеличивается на 170 оС.
5) Температура кипения зависит от наличия примесей в воде.
Утверждение 1 — верно. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается. Утверждение 2- верно. По графику видно, что при нормальном атмосферном давлении (100 кПа) температура кипения воды равна 100оС. Утверждение 3 — неверно. Температура кипения возрастает при увеличении давления, но эта зависимость не линейная, т.е. нет прямой пропорциональности между температурой и внешним давлением. Утверждение 4 — неверно. При увеличении давления до 800 кПа температура кипения увеличивается до 170оС, а не НА 170оС. Утверждение 5 — верно. При построении графика зависимости ничего не говорится о наличии примесей в воде. Ответ: 12
46. Морозной зимой окна трамвая, полного пассажиров, покрываются инеем. С какой стороны стекла образуется этот иней? Ответ поясните.
Ответ: иней образуется изнутри. Пояснение. Водитель/пассажиры внутри автомобиля выдыхают тёплый влажный воздух. Стекла автомобиля в холодную погоду имеют низкую температуру. Тёплый влажный пар, попадая на стёкла, охлаждается, конденсируется и впоследствии кристаллизуется, образуя иней.
Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Испарение и конденсация. Удельная теплота парообразования (1192 Загрузки )