Топене и кипене на водата

Кривата на леда

Слагаме 0,2 kg лед при −20 °C на котлон 500 W. Котлонът дава 500 J топлина за всяка секунда. Чертаем температурата t спрямо полученото количество топлина Q. Графиката има наклонени участъци и хоризонтални площадки:

• Лед от −20 °C до 0 °C: температурата расте (8400 J).
• Топене при 0 °C: площадка. В съда има и лед, и вода, а температурата не се мени (68 000 J).
• Вода от 0 °C до 100 °C: температурата расте отново (84 000 J).
• Кипене при 100 °C: най-дългата площадка (460 000 J) – водата се изпарява.
• Пара над 100 °C: температурата расте (до 120 °C – 8000 J).

Изненада: на площадките котлонът дава топлина през цялото време, но термометърът стои. Топлината отива за промяната на състоянието – за разкъсване на кристала при топенето и за откъсване на частиците от течността при кипенето.

Наклонът: специфичен топлинен капацитет

Специфичният топлинен капацитет показва колко топлина трябва за 1 kg и 1 °C:

c = Q / (mΔt)

Лед: 2100 J/(kg·°C), вода: 4200 J/(kg·°C), пара: 2000 J/(kg·°C). Водата има два пъти по-голям c от леда, затова участъкът „вода“ е два пъти по-полегат. При два пъти повече вещество всички участъци стават два пъти по-дълги по оста Q.

Площадките: топене и изпарение

Специфична топлина на топене λ – колко топлина трябва, за да се разтопи 1 kg при температурата на топене. Специфична топлина на изпарение r – колко топлина трябва, за да се изпари 1 kg при кипене:

λ = Q / m,   r = Q / m

За водата λ = 340 000 J/kg и r = 2 300 000 J/kg. Площадката на кипенето е около 6,8 пъти по-дълга от тази на топенето и около 5,5 пъти по-дълга от загряването от 0 до 100 °C. Затова тенджерата не изгаря бързо, докато в нея има вода.

По-силният котлон не прави кипящата вода по-гореща от 100 °C – само я изпарява по-бързо.

Обратните преходи

При охлаждане водата втвърдява (замръзва) при 0 °C, а парата кондензира при 100 °C. Тогава веществото отдава същото количество топлина, което е поело при топенето и изпарението. Затова водата стои дълго на 0 °C във фризера, а парата изгаря повече от врящата вода: 1 g пара отдава 2300 J само при кондензацията.

Температурата я мерим и в келвини: T = t + 273,15. Ледът при 0 °C е при 273,15 K – частиците му не спират, а ледът може да е и много по-студен.

В природата и в техниката

• Чай на 3000 m. В хижа на 3048 m налягането на въздуха е по-ниско и водата кипи при 89,8 °C. Чаят става по-бързо, но храната се готви по-дълго.
• Бутилката във фризера. Водата се разширява с около 9 % при замръзване. Затова замръзналата вода пука бутилки и водопроводни тръби.
• Лед в напитката. Да се стопи кубче лед иска толкова топлина, колкото да се стопли същата вода от 0 до около 81 °C. Затова ледът охлажда много повече от студената вода.

Лабораторно упражнение № 8

В калориметър с топла вода слагаме лед, който вече се топи (0 °C). Топлата вода отдава топлина, ледът я поема – първо за топенето, после за затоплянето. От крайната температура пресмятаме λ. Ако ледът е от фризера (−10 °C), част от топлината отива за затоплянето му до 0 °C и λ излиза по-голямо – 361 000 вместо 340 000 J/kg.

Правила на играта

В симулацията температурата е еднаква в целия съд, а парата остава под лекия капак. Загубите на течение (2 W за всеки градус над стайната температура) и прагът, при който бутилката се пуква (2 % излишен обем), са условности, избрани за урока. Константите са закръглени като в учебните задачи.

Безопасност

• Кипящата вода и парата изгарят. Парата е по-опасна, отколкото изглежда: при кондензация върху кожата тя отдава и топлината на изпарение.
• Не надничай над тенджера, от която излиза пара. Отваряй капака откъм далечната страна.
• Не слагай затворени стъклени бутилки с вода или напитки във фризера – пукат се.
• Не нагрявай затворени съдове (буркан, бутилка): налягането расте и съдът може да се пръсне.
• Опитите с котлон в клас се правят само с учител. В упражнението с лед се ползва термометър, а не пръст.